13 августа, 2012

Маловысотные РЛС: шаг за шагом

Как известно, дальность обнаружения НЛЦ радиолокационными станциями, работающими в диапазонах частот более 100 МГц, не превышает дальности прямой видимости, а значительная часть траекторий их полета проходит в зоне воздействия на РЛС мешающих отражений от местных предметов – точечных и поверхностно-распределенных.

Поскольку реальной мерой увеличения дальности обнаружения НЛЦ является увеличение высоты подъема фазового центра антенны РЛС, для этих целей начиная с 1950–1960-х гг. в стране были разработаны специальные вышки и мачты различных типов: перевозимая вышка 40В6, стационарные сборно-разборная мачта «Унжа», вышки УМВ-30 и «Башня-100». В настоящее время при разработке новых мобильных РЛС обнаружения НЛЦ предусматривается использование легких мачт, входящих в состав РЛС. Кроме того, уже завершена ОКР «Журавель» по созданию унифицированной перебазируемой сборно-разборной металлической опоры высотой 30–50 м.

Однако с увеличением высоты подъема фазового центра антенны расширяется и зона, в пределах которой на РЛС воздействуют мешающие отражения от местных предметов. В таблице 1 представлены значения радиуса R_мо зоны мешающих отражений от местных предметов высотой до 25 м при различных высотах подъема фазового центра антенн наземных РЛС h_а.

Таким образом, отличительные требования к РЛС кругового обзора, предназначенным для обнаружения НЛЦ, – обеспечение возможности установки антенн на вышках (мачтах) и наличие эффективной аппаратуры подавления мешающих отражений от местных предметов. Не менее важным также является и требование к мобильности РЛС, что накладывает ограничение на массогабаритные характеристики как аппаратуры РЛС, так и ее антенны.

В связи с вышеприведенным в номенклатуре РЛС кругового обзора, предназначенных для оснащения подразделений радиотехнических войск, был выделен специальный класс радиолокационных средств для обнаружения НЛЦ – маловысотные РЛС. Поскольку потребность в маловысотных РЛС для оснащения радиотехнических подразделений оказалась весьма высокой, к ним также предъявлялись требования достаточной серийноспособности и относительно невысокой стоимости.

Если для увеличения дальности прямой видимости НЛЦ оказалось необходимым осуществлять подъем фазового центра антенн маловысотных РЛС, то для обнаружения и устойчивой проводки целей на фоне мощных мешающих отражений от местных предметов обязательным стало использование в РЛС специального устройства – селектора движущихся целей (СДЦ).

Так как одним из требований к маловысотным РЛС является обеспечение возможности однозначного измерения дальности в пределах не менее 150–200 км, что предопределяет необходимость использования импульсных зондирующих сигналов с довольно большими периодами повторения (1–1,5 мс), в качестве СДЦ оказалось возможным использовать лишь череспериодные компенсаторы и в дальнейшем доплеровские фильтры с относительно небольшим числом каналов.

Один из основных показателей качества функционирования СДЦ – коэффициент улучшения, который зависит от ширины результирующего спектра флуктуаций мешающих отражений и особенностей построения селектора. В таблице 2 даны значения среднеквадратического отклонения результирующего спектра флуктуаций амплитуд сигналов, отраженных от подстилающей поверхности, обусловленных неустранимыми факторами: раскачиванием растительности при ветре и сканированием антенны по азимуту. Здесь же приведены типичные значения требуемого коэффициента улучшения аппаратуры СДЦ (в децибелах), необходимые для обнаружения отметок воздушных целей различных классов с вероятностью не менее 0,7, при которой обеспечивается устойчивое сопровождение их траекторий на фоне остатков мешающих отражений от местных предметов.

Приведенные в таблице 2 значения требуемых коэффициентов улучшения аппаратуры СДЦ для равнинной открытой местности могут быть уменьшены в среднем на 10–15 дБ, а для районов с сильно пересеченной горной местностью – увеличены на 10–15 дБ.

В таблице 3 представлены значения потенциально достижимых коэффициентов улучшения аппаратуры СДЦ на основе известных схем одно- и двукратного череспериодного вычитания и восьмиканального доплеровского фильтра.

Из таблиц 2 и 3 следует, что с уменьшением длины волны, с одной стороны, требования к степени подавления мешающих отражений повышаются, а с другой – в связи с расширением спектра неустранимых флуктуаций потенциально достижимый в импульсных РЛС кругового обзора коэффициент улучшения аппаратуры СДЦ снижается. В этой связи при создании серийноспособных маловысотных РЛС, предназначенных для оснащения радиотехнических подразделений, было отдано предпочтение UHF- и S-диапазону волн.

Наряду с неустранимыми факторами (собственными флуктуациями сигналов мешающих отражений и флуктуациями, обусловленными сканированием антенны) на эффективность функционирования аппаратуры СДЦ могут оказать значительное влияние нестабильности СВЧ-трактов РЛС и ограничение динамического диапазона приемников, которые определяются принятыми техническими решениями и уровнем развития технологии.

Использовавшиеся в 1950–1980 гг. прошлого века в отечественных РЛС сантиметрового и дециметрового диапазонов волн передатчики на электровакуумных приборах имели высокую чувствительность по частотной или фазовой паразитной модуляции зондирующих сигналов из-за пульсаций высоковольтного напряжения питания. Динамический диапазон применявшихся в РЛС аналоговых приемных устройств не превышал 20–30 дБ. Аппаратура СДЦ основывалась на использовании одно- или двукратного череспериодного вычитания импульсов на потенциалоскопах и редко – на линиях задержки.

Реальной мерой увеличения дальности обнаружения низколетящих целей является увеличение высоты подъема фазового центра системы РЛС
Фото: Георгий ДАНИЛОВ

Одной из первых отечественных РЛС обнаружения НЛЦ была созданная в 1950-е гг. прошлого века двухкоординатная РЛС типа П-15, работающая в UHF-диапазоне. Используемые в ней магнетронный передатчик, имеющий низкую стабильность несущей частоты, и приемник с жестким ограничением не позволили обеспечить коэффициент улучшения аппаратуры СДЦ с череспериодным вычитанием импульсов более 20–25 дБ. Кроме того, в РЛС не была предусмотрена возможность установки антенны на вышку или мачту для увеличения дальности прямой видимости. Поэтому РЛС П-15 обеспечивала устойчивое обнаружение и проводку большеразмерных воздушных объектов на высотах 300–500 м в равнинных районах.

Поскольку РЛС П-15 измеряла лишь азимут и дальность, для измерения высоты целей предусматривалось ее совместное использование с высотомером ПРВ-9. Создание и поступление в войска в дальнейшем вышки УМВ-30 с большой грузоподъемностью позволили использовать РЛС П-15 также и в лесистых районах.

В начале 1960-х гг. была сделана попытка создания для радиотехнических войск трехкоординатной РЛС обнаружения НЛЦ типа «Квадрат» на базе высотомера ПРВ-9, работающего на границе диапазонов сантиметровых волн C и X. Однако в этом диапазоне, с одной стороны, необходимо обеспечить более высокую степень подавления мешающих отражений, чем в UHF-диапазоне, а с другой – более широкий спектр неустранимых флуктуаций и значительное влияние нестабильностей используемого в РЛС магнетронного передатчика не позволили получить коэффициент улучшения в аппаратуре СДЦ более 15 дБ. Поэтому ОКР по разработке РЛС «Квадрат» была прекращена и попыток создания наземных импульсных РЛС кругового обзора для обнаружения НЛЦ в этом диапазоне волн в дальнейшем не предпринималось.

С переходом в 1960–1970-х гг. прошлого века на более стабильные клистронные усилители мощности в передатчиках и на использование в приемниках аналого-цифровых преобразователей видеосигналов, а в аппаратуре СДЦ – цифровых многоканальных фильтров удалось в разработанных в этот период отечественных трехкоординатых РЛС обнаружения НЛЦ S-диапазона 5Н59 и 35Д6 повысить потенциально достижимый коэффициент улучшения до 40–45 дБ. При этом обе РЛС имели в своем составе перевозимые опоры 40В6.

В этот же период разработана двухкоординатная РЛС обнаружения НЛЦ UHF-диапазона волн «Перископ-В» для радиотехнических подразделений, развернутых на позициях в горной местности с аппаратурой СДЦ, обеспечивающей коэффициент улучшения не менее 40 дБ.

Низковысотный обнаружитель, придаваемый ЗРС ряда С-300П
Фото: Георгий ДАНИЛОВ

Достигнутые в указанных РЛС характеристики обеспечивали по сравнению с РЛС П-15 возможность обнаружения более широкого класса целей практически в любом районе территории страны. Однако в связи с освоением за рубежом технологии «Стелс» достигнутых в РЛС возможностей оказалось недостаточно для обнаружения на фоне мешающих отражений малозаметных крылатых ракет.

В 1980–1990-х гг. в РЛС обнаружения НЛЦ стали внедряться твердотельные передатчики на сверхвысокочастотных транзисторах, не требующие высоковольтных источников питания, в приемные устройства – аналого-цифровые преобразователи сигналов на промежуточной частоте и сигнальные процессоры для обработки цифровых сигналов, что позволило значительно повысить стабильность частоты и фазы зондирующих сигналов и увеличить динамический диапазон приемных устройств.

Благодаря этому в разработанной в этот период РЛС обнаружения НЛЦ 39Н6Е UHF-диапазона удалось увеличить потенциально достижимый коэффициент улучшения аппаратуры СДЦ до 50–55 дБ. Мобильная РЛС 39Н6Е имеет в своем составе подвижную 14-метровую мачту для подъема антенны. В ней также предусмотрен специальный антенный комплект, обеспечивающий его установку на мачту типа «Унжа» высотой до 52 м. Характеристики, реализованные в этой РЛС, обеспечивают возможность обнаружения современных и перспективных низколетящих целей различных классов, в том числе малозаметных крылатых ракет, практически в любом районе страны.

Таким образом, проведенные работы по созданию высотных опор и мачт различных типов для подъема антенных устройств, а также внедрение в отечественные маловысотные РЛС кругового обзора современной элементной базы и цифровых методов обработки сигналов обеспечивают возможность своевременного обнаружения и надежной проводки малозаметных средств воздушного нападения на малых и предельно малых высотах на фоне мешающих отражений от земной поверхности.

В связи с совершенствованием и расширением номенклатуры средств воздушного нападения, действующих на малых и предельно малых высотах, с одной стороны, и развитием радиолокационной техники и элементной базы – с другой в дальнейшем при совершенствовании маловысотных РЛС находят широкое применение новые информационные технологии:

• последовательно-параллельный электронный обзор зоны по углу места или двухмерное электронное сканирование диаграмм направленности антенн;
• активные, полуактивные и пассивные на передачу фазированные антенные решетки (ФАР);
• цифровой синтез зондирующих сигналов с различными параметрами: несущей частотой, видом модуляции, шириной полосы, длительностью, частотой посылок импульсов;
• цифровое диаграммообразование для ФАР на прием;
• автоматический анализ помеховой обстановки и адаптивный выбор устройств и режимов защиты от помех;
• автоматическая топопривязка и ориентирование РЛС по информации космических навигационных систем;
• комплексирование РЛС со средствами вторичной радиолокации;
• возможность наращивания РЛС до активно-пассивного комплекса;
• использование нетрадиционных методов радиолокации: работа «на просвет», использование сигналов радиотелевизионных центров.

Внедрение во вновь разрабатываемые маловысотные РЛС современных технологий и технических решений позволяет обеспечить их устойчивое функционирование в разнообразных условиях воздушной и помеховой обстановки.