Радиолокационные станции: история и основные принципы работы

Автоматизированные системы управления оборонного назначения

Автоматизированные системы управления войсками и боевыми средствами

Автоматизированные системы управления войсками «Универсал—1Э» — центральное звено АСУ КП тактического соединения ПВО. Обеспечивает создание автоматизированной ПВО района с размерами 1600×1600 км², до 100 км по высоте. Количество управляемых КП родов войск — до 16.
«Рубеж—МЭ» — АСУ истребительной авиационной части.
«Байкал—1Э» — комплекс средств автоматизации (КСА) командного пункта зенитной ракетной части, объединяет до 12 зенитных ракетных комплексов (ЗРК) малой, средней и большой дальности с пределами работы по дальности 1200 км и высоте 100 км, обеспечивает прием и обработку радиолокационной информации от нескольких источников, включая РЛС и управляемые ЗРК, целераспределение и целеуказание ЗРК и координацию их действий, количество одновременно управляемых стрельбовых каналов — до 144.
«Нива—Э» — комплекс средств автоматизации КП полка, бригады радиотехнических войск (РТВ), обеспечивает сбор информации о воздушных объектах в радиусе до 1600км от радиолокационных постов и подразделений, авиационного комплекса радиолокационного дозора и наведения А—50, обработку и выдачу информации на вышестоящий и обеспечиваемые КП зенитных ракетных войск (ЗРВ) и истребительной авиации (ИА), обеспечивает взаимодействие с КП соседних частей РТВ, центром организации воздушного движения (ОВД), количество одновременно сопровождаемых целей — до 240.
«Основа—1Э» — комплекс средств автоматизации КП радиотехнического подразделения, осуществляет сбор, обработку информации о воздушных объектах в радиусе до 1600 км от своих радиолокационных средств, радиолокационных постов, выдачу информации на вышестоящие и обеспечиваемые КП РТВ, ЗРВ, ИА, обеспечивает сопровождение до 120 объектов, в том числе постановщиков помех триангуляционным методом по данным пеленгов от радиолокационных постов и своих РЛС.
«Поле—МЭ» — комплекс средств автоматизации пункта управления радиолокационного поста, обеспечивает получение радиолокационной информации от своих РЛС в радиусе до 600 км, ее обработку и выдачу на КП РТВ, ЗРВ, пункт наведения. ■ В АСУ ПВО наряду с централизованным управлением, обеспечиваемым ее иерархическим построением, возможно децентрализованное управление за счет разветвленной сети «горизонтальных» связей КСА КП частей и подразделений родов войск.  Автоматизированные системы управления боевыми средствами  ■ Автоматизированные системы управления боевыми средствами (АСУ БС) управляют поиском целей и целераспределением с использованием данных собственных локационных средств и АСУВ. По существу, АСУ БС — это АСУ тактических звеньев войск. В отдельных случаях АСУ БС могут переходить в АСУ оперативных и стратегических звеньев. ■ АСУ БС ПВО разрабатываются в расчете на преимущественное применение в интересах территориальной ПВО, ПВО группировок сухопутных войск, ПВО военно—морских сил оснащённых зенитными ракетными системами различной дальности. ■ Зенитные ракетные комплексы — автоматизированные или автоматические системы управления пуском и полетом зенитных управляемых ракет. Зенитные ракетные системы — разрабатываются в расчете на преимущественное применение в интересах территориальной ПВО, ПВО группировок сухопутных войск, ПВО военно—морских сил, причем с различной дальностью действия. ■ Зоны поражения ЗРК, пуска ракет и постановки задач — осуществляется АСУ БС. Зоны поражения ЗРК, пуска ракет и постановки задач являются важнейшими характеристиками управления ЗРК, как автономного, так и централизованного. Дальние границы соответствующих зон называют рубежами. Разнос рубежей пуска и поражения связан с движением цели в течение полетного времени ракеты. Разнос рубежей постановки задач и пуска связан с движением цели за время отработки ЗРК задачи на пуск. С учетом времени отработки локационной информации в АСУ, времени, расходуемого на оценку обстановки, времени на целераспределение между ЗРК, времени на принятие решения командиром можно указать зоны и рубежи получения информации для АСУ БС и АСУВ. Ими определяются потребные дальности действия информационных локационных систем, работающих в интересах ЗРК. ■ К АСУ БС, например, относятся:
«Сенеж—М1Э» — комплекс средств автоматизации командного пункта зенитной ракетной части смешанного состава, предназначен для управления ЗРК и наведения до 6 истребителей—перехватчиков. Пределы работы по дальности 1600 км и высоте 40 км.

Физика процесса: эффект Доплера, или «умное эхо»

Как и любое направление развития науки и техники, радиолокация базируется на некоторых физических основах, позволяющих обеспечивать решение стоящих перед ней задач, а именно: обнаруживать различного рода объекты и определять координаты и параметры их движения с помощью радиоволн.

Использование радиоволн, или, другими словами, электромагнитных колебаний (ЭМК), частотный диапазон которых сосредоточен в пределах от 3 кГц до 300 ГГц, определяет основные преимущества радиолокационных систем (РЛС) перед другими системами локации (оптическими, инфракрасными, ультразвуковыми). В первую очередь, это обусловлено тем, что закономерности распространения радиоволн в однородной среде достаточно стабильны как в любое время суток, так и в любое время года и, следовательно, изменение условий оптической видимости, обусловленных появлением дождя, снега, тумана или изменением времени суток, не нарушает работоспособность РЛС.

Основными закономерностями распространения радиоволн, которые позволяют обнаруживать объекты и измерять координаты и параметры их движения, являются следующие:

– постоянство скорости и прямолинейность распространения радиоволн в однородной среде (при проведении инженерных расчетов скорость распространения радиоволн принимают равной 3·10–8 м/с;

– способность радиоволн отражаться от различных областей пространства, электрические или магнитные параметры которых отличаются от аналогичных параметров среды распространения;

– изменение частоты принимаемого сигнала по отношению к частоте излученного сигнала при относительном движении источника излучения и приемника радиолокационного сигнала.

Последнее свойство радиоволн в радиолокации называют эффектом Доплера по имени австрийского ученого Кристиана Андреаса Доплера, который в 1842 году теоретически обосновал зависимость частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волны и наблюдателя относительно друг друга.

Доплеровский метеорологический радиолокатор

В 1848 году эффект Доплера был уточнен французским физиком Арманом Физо, а в 1900 году – экспериментально проверен русским ученым Аристархом Белопольским на лабораторной установке. В этой связи в научно-технической литературе наименование данного эффекта можно встретить под названием «эффект Доплера – Белопольского».

Для проведения процедуры измерения расстояния до цели РЛС излучает в ее направлении зондирующий сигнал. Данный сигнал доходит до объекта, отражается от него и возвращается обратно к РЛС. Поскольку, как отмечалось ранее, скорость распространения радиосигнала в однородной среде постоянная, то для определения дальности до объекта необходимо зафиксировать момент излучения зондирующего сигнала t и момент приема отраженного сигнала от цели t₁. В результате разность (t₁ – t) позволяет определить время, в течение которого радиоволна проходит путь от РЛС к цели и обратно, которое равно 2Д, где Д – дальность до объекта (расстояние между РЛС и целью). Разность времен (t₁ – t) в радиолокации называют временем запаздывания и обозначают как t_д. В результате при известной величине t_д можно составить равенство 2Д = Сt_д, из которого следует, что дальность до объекта (цели) равна Д = Сt_д/2.

Таким образом, подводя итог процедуре измерения дальности до цели, можно констатировать, что для измерения с помощью РЛС расстояния до цели необходимо определить время запаздывания t_д, которое при известной скорости распространения радиоволн позволяет определить дальность до нее.

Большой процент объектов радиолокационного наблюдения составляют подвижные или движущиеся цели. К таким целям, например, относятся самолеты, вертолеты, автомобили, люди и т.д. Основным отличительным признаком таких объектов является скорость их движения. Выявить эффект движения цели, как отмечалось ранее, можно, опираясь на эффект Доплера, который позволяет определить радиальную скорость движения цели. То есть частота принимаемых РЛС колебаний от цели, двигающейся ей навстречу, возрастает по сравнению со случаем неподвижной цели и уменьшается при удалении цели от РЛС. Данное изменение частоты принимаемого сигнала называют доплеровским смещением частоты. Величина данного смещения зависит от скорости взаимного движения носителя РЛС и цели. Необходимо заметить, что рассмотренные свойства радиоволн будут проявляться вне зависимости от условий оптической видимости в зоне радиолокационного наблюдения.

Виды радиолокации

Природа электромагнитного излучения цели позволяет говорить о нескольких видах радиолокации:

• Пассивная радиолокация исследует собственное излучение (тепловое, электромагнитное и т.п.), которое генерирует цели (ракеты, самолеты, космические объекты).
• Активная с активным ответом осуществляется в случае, если объект оборудован собственным передатчиком и взаимодействие с ним происходит по алгори.
• Активная с пассивным ответом предполагает исследование вторичного (отраженного) радиосигнала. Радиолокационная станция в этом случае состоит из передатчика и приемника.
• Полуактивная радиолокация — это частный случай активной, в случае когда приемник отраженного излучения расположен вне РЛС (например, является конструктивным элементом самонаводящейся ракеты).

Каждому виду свойственны свои достоинства и недостатки.

Дальность действия РЛС

Основная статья: Основное уравнение радиолокации

Максимальная дальность действия РЛС зависит от ряда параметров и характеристик как антенной системы станции, мощности излучаемого сигнала, и чувствительности приёмника системы.
В общем случае без учёта потерь мощности в атмосфере, помех и шумов дальность действия системы можно определить следующим образом:

Dmax=PnDaSaσ(4π)2Pn.min4{\displaystyle D_{max}={\sqrt{\frac {P_{n}D_{a}S_{a}\sigma }{\left(4\pi \right)^{2}P_{n.min}}}}},

где:

Pn{\displaystyle \;P_{n}} — мощность генератора;

Da{\displaystyle \;D_{a}} — коэффициент направленного действия антенны;

Sa{\displaystyle \;S_{a}} — эффективная площадь антенны;

σ{\displaystyle \;\sigma } — эффективная площадь рассеяния цели;

Pn.min{\displaystyle \;P_{n.min}} — минимальная чувствительность приёмника.

При наличии шумов и помех дальность действия РЛС уменьшается.

Работа нескольких РЛС в одном частотном диапазоне

На загруженных участках, где одновременно используются многочисленные РЛС (например, морские порты) вероятны совпадения частотных диапазонов. Это приводит к приему РЛС сигнала другой РЛС. В результате на экране появляются дополнительные точки, бросающиеся в глаза из-за своей геометрической правильности. Эффект может быть убран переходом на другую рабочую частоту.

Мнимое изображение

При отражении радиосигнала от массивного объекта возможно дальнейшее распространение к меньшим объектам с последующим отражением и попаданием в РЛС. Таким образом, путь, который прошел сигнал становится больше и на экране появляется мнимое изображение объекта, который на самом деле находится в другом месте

Такой эффект должен приниматься во внимание при нахождении вблизи крупных отражающих объектов, таких как мосты, гидротехнические сооружения и крупные суда.

Многократное отражение

При размещении РЛС на большом судне возможен эффект многократного отражения сигнала. Сигнал РЛС отражается от близкого объекта, частично попадает обратно в РЛС, а частично отражается от корпуса суда. Таких отражений может быть много, амплитуда при каждом отражении уменьшается и сигнал будет восприниматься до тех пор, пока не будет достигнута пороговая чувствительность приемника. На экране радара будут видны несколько уменьшающихся с каждым разом объектов. Расстояние между ними пропорционально расстоянию от РЛС до объекта.

Атмосферные потери особенно велики в сантиметровом и миллиметровом диапазонах и вызываются дождем, снегом и туманом, а в миллиметровом диапазоне также кислородом и парами воды.
Наличие атмосферы приводит к искривлению траектории распространения радиоволн (явление рефракции). Характер рефракции зависит от изменения коэффициента преломления атмосферы при изменении высоты. Из-за этого траектория распространения радиоволн искривляется в сторону поверхности земли.

Радиоастрономия

Посланные с поверхности земли радиоволны также отражаются от объектов в ближнем и дальнем космосе, как и от околоземных целей. Многие космические объекты невозможно было полноценно исследовать лишь с использованием оптических инструментов, и только применение радиолокационных методов в астрономии позволило получить богатую информацию об их природе и структуре. Впервые пассивная радиолокация для исследования Луны была применена американскими и венгерскими астрономами в 1946 году. Примерно в то же время были случайно приняты и радиосигналы из космического пространства.

У современных радиотелескопов приемная антенна имеет форму большой вогнутой сферической чаши (подобно зеркалу оптического рефлектора). Чем больше ее диаметр, тем более слабый сигнал антенна сможет принять. Часто радиотелескопы работают комплексно, объединяя не только устройства, расположенные недалеко друг от друга, но и находящиеся на разных континентах. Среди важнейших задач современной радиоастрономии — изучение пульсаров и галактик с активными ядрами, исследование межзвездной среды.

Как работает радиолокатор

Определение местонахождения чего-либо называют локацией. Для этого в технике применяют устройство, называемое локатором. Локатор излучает какой-либо вид энергии, например, звук или оптический сигнал, в сторону предполагаемого объекта, а затем принимает отражённый от него сигнал. Радиолокатор использует для этой цели радиоволны.

На самом деле радиолокатор, или радиолокационная станция (РЛС), — сложная система. Конструкции различных радиолокаторов могут различаться, но принцип их работы одинаков. Радиопередатчик посылает в пространство радиоволны. Достигнув цели, они отражаются от неё, как от зеркала, и возвращаются назад. Такая радиолокация называется активной.

Основные узлы радиолокатора (РЛС) – передатчик, антенна, антенный переключатель, приёмник, индикатор.

По способу излучения радиоволн РЛС делятся на импульсные и непрерывного действия.

Как работает импульсная радиолокационная станция?

Передатчик радиоволн включается на короткое время, поэтому радиоволны излучаются импульсами. Они поступают в антенну, которая располагается в фокусе зеркала параболоидной формы. Это нужно для того, чтобы радиоволны распространялись в определённом направлении. Работа радиолокатора похожа на работу светового прожектора, лучи которого подобным образом направляются в небо и, освещая его, ищут нужный объект. Но работа прожектора этим и ограничивается. А радиолокатор не только посылает радиоволны, но и принимает сигнал, отражённый от найденного объекта (радиоэхо). Эту функцию выполняет приёмник.

Антенна импульсного радиолокатора работает то на передачу, то на приём. Для этого в ней есть переключатель. Как только радиосигнал послан, отключается передатчик и включается приёмник. Наступает пауза, во время которой радиолокатор как бы «слушает» эфир и ждёт радиоэхо. И как только антенна улавливает отражённый сигнал, тут же отключается приёмник и включается передатчик. И так далее. Причём время паузы может во много раз превышать длительность импульса. Таким образом излучаемый и принимаемый сигнал разделяются во времени.

Принятый радиосигнал усиливается и обрабатывается. На индикаторе, который в простейшем случае представляет собой дисплей, отображается обработанная информация, например, размеры объекта или расстояние до него, или сама цель и окружающая её обстановка.

Радиоволны распространяются в пространстве со скоростью света. Поэтому, зная время tот излучения импульса радиосигнала до его возвращения, можно определить расстояние до объекта.

R = cˑt/2,

где с – скорость света.

Радиолокатор непрерывного действия высокочастотные радиоволны излучает непрерывно. Поэтому антенной улавливается также непрерывный отражённый сигнал. В своей работе такие РЛС используют эффект Доплера. Суть этого эффекта в том, что частота сигнала, отражённого от объекта, движущегося по направлению к радиолокатору, выше частоты сигнала, отражённого от объекта, удаляющегося от него, несмотря на то, что частота излучаемого сигнала постоянна. Поэтому такие РЛС используют для определения параметров движущегося объекта. Пример радиолокатора, в основе работы которого лежит эффект Доплера – радар, используемый сотрудниками ГИБДД для определения скорости движущегося автомобиля.

В поисках объекта направленный луч антенны РЛС сканирует пространство, описывая полный круг, либо выбирая определённый сектор. Он может быть направлен по винтовой линии, по спирали. Обзор также может быть коническим или линейным. Всё зависит от задачи, которую он должен выполнить.

Если необходимо постоянно следить за выбранной движущейся целью, антенна радиолокатора всё время направлена на неё и поворачивается вслед за ней с помощью специальных следящих систем.

«Триумфальный» взгляд

Всевысотный обнаружитель 96Л6-1 (ВВО) — это зоркий «глаз» новейших зенитных ракетных систем С-400 «Триумф». РЛС умеет работать в нескольких режимах обзора. При возникновении необходимости аппаратура всевысотного обнаружителя сама поставит «фильтр» для определения противорадиолокационных ракет противника, а еще она способна «видеть» на больших расстояниях даже миниатюрные беспилотники.

mil.ru
Всевысотный обнаружитель 96Л6-1.

ВВО обеспечивает выдачу трех координат целей: азимута, угла места и дальности. Для обзора пространства в этой РЛС ученые нашей «оборонки» применили оригинальный метод. Он сочетает в себе электронное сканирование по углу места многолучевой диаграммой направленности антенны на разных несущих частотах и одновременное вращение по азимуту. Сканирование по углу места осуществляется фазовым способом в пределах от -3 град. до 60 град. При этом в азимутальной плоскости за счет углочастотной зависимости излучателей на Ш-образных волноводах одновременно формируется три прилегающих друг к другу луча.

Вращение антенного устройства по азимуту осуществляется с постоянной скоростью 10 об/мин. или 5 об/мин. Этот метод обзора пространства, совместно с набором сложнокодированных зондирующих сигналов, позволяет обеспечить одновременное обнаружение целей, летящих на больших и средних высотах, а также маловысотных целей на фоне сильных отражений от подстилающей поверхности.

ВВО совмещает функции низковысотного обнаружителя, обзорного радиолокатора и командного пункта. Он может работать как автономное средство целеуказания, но может и сопрягаться с КП АСУ или КП РТВ различных типов. Всевысотный обнаружитель предельно надежен и в условиях воздействия пассивных и активных помех.

ВВО поступили на вооружение радиотехнических полков Воздушно-космических сил, несущих боевое дежурство по противовоздушной обороне в Московской зоне и на всех воздушных рубежах нашей страны — от Калининграда до Камчатки. Также ВВО штатно стоит на вооружении зенитных ракетных полков с ЗРС С-300 и С-400.

Высшая «Каста» небесного контроля

В июне 2018 года пресс-служба Центрального военного округа (ЦВО) сообщила, что дислоцированная в Самарской области дивизия ПВО получила новую РЛС кругового обзора «Каста 2-2». Новая радиолокационная станция обладает высокой надежностью и безопасностью в эксплуатации, простотой технического обслуживания. Она высокомобильна: в ее состав входит четыре машины.

mil.ru
Трехкоординатная РЛС «Каста 2-2».

Трехкоординатная РЛС «Каста 2-2» способна контролировать воздушное пространство в автоматическом режиме: определять дальность, азимут, эшелоны высоты полета и трассовых характеристик самолетов, вертолетов, крылатых ракет, в том числе летящих на малых и предельно малых высотах. РЛС эффективно работает на фоне интенсивных отражений от поверхности, местных предметов и метеообразований.

Характеристики

Активный режим

Пассивный режим: обнаружение надводных целей

Пассивный режим: обнаружение воздушных целей (самолетных и вертолетных РЛС, РЛ ГСН ПКР)

Принцип радиолокации

Радиотехническое оборудование и средства, предназначенные для выполнения задач радиолокации, получили название радиолокационных систем, или устройств (РЛС или РЛУ). Основы радиолокации базируются на следующих физических явлениях и свойствах:

• В среде распространения радиоволны, встречая объекты с иными электрическими свойствами, рассеиваются на них. Волна, отраженная от цели (или ее собственное излучение), позволяет радиолокационным системам обнаружить и идентифицировать цель.
• На больших расстояниях распространение радиоволн принимается прямолинейным, с постоянной скоростью в известной среде. Это допущение делает возможным измерение дальности до цели и ее угловых координат (с определенной ошибкой).
• На основании эффекта Доплера по частоте принятого отраженного сигнала вычисляют радиальную скорость точки излучения относительно РЛУ.

Режимы работы РЛС

Существует два основных режима функционирования радиолокационных станций и устройств. Первый — сканирование пространства. Он осуществляется по строго заданной системе. При последовательном обзоре перемещение луча радара может носить круговой, спиральный, конический, секторный характер. Например, решетка антенны может медленно поворачиваться по кругу (по азимуту), одновременно сканируя по углу места (наклоняясь вверх и вниз). При параллельном сканировании обзор осуществляется пучком радиолокационных лучей. Каждому соответствует свой приемник, ведется обработка сразу нескольких информационных потоков.

Режим слежения подразумевает постоянную направленность антенны на выбранный объект. Для ее поворота, согласно с траекторией движущейся цели, используются специальные автоматизированные следящие системы.