12.2. Разработка рлс перспективного истребителя

По мнению американских специалистов, достижения в области быстро развивающихся электронных технологий позволят им в ближайшее время создать БРЛС с требуемыми ТТХ, стоимость которой сократится в 2 раза при существенно меньшей массе, по сравнению с аналогичными показателями станции, разработанной для истребителя F-22A. Как и в APG-77, в качестве антенной системы БРЛС самолета JSF предполагается использовать активную фазированную антенную решетку (АФАР), элементы которой сопряжены с индивидуальными приемопередающими модулями непосредственно в апертуре антенны. В ее конструкции намечается применить более дешевые, надежные и миниатюрные приемопередающие модули новой конструкции. Как отмечают в западных СМИ, американские конструкторы отказались от разработки радиолокационной станции с механическим сканированием луча для истребителя JSF из-за ряда недостатков, присущих таким РЛС. Самым крупным из них считается сравнительно большой интервал времени (несколько секунд), который требуется для обзора пространства и определения координат цели, что связано с необходимостью механического изменения положения зеркала антенной системы. По мнению западных экспертов, радиолокационные станции с АФАР, состоящие из нескольких сот или даже тысяч антенных элементов в виде приемопередающих модулей, не имеют такого недостатка. Благодаря электронному управлению лучом, осуществляемому с помощью современных бортовых ЭВМ, такие РЛС могут обеспечить измерение координат и параметров целей в несколько тысяч раз быстрее. При этом полученные данные отличаются более высокими точностными характеристиками. Кроме того, при использовании АФАР в РЛС исчезает необходимость в таких громоздких элементах, как передающее устройство с жидкостной системой охлаждения, волноводно-фидерный тракт с системой наддува и узел механического управления зеркалом антенны. Так как антенна составляет 52 проц. стоимости всей РЛС с АФАР, специалисты обеих фирм сосредоточили основные свои усилия на разработке новых технологий в области создания антенных приемопередающих модулей. Это способствовало существенному уменьшению размеров, веса и стоимости АФАР, разрабатываемой для истребителя JSF. Кроме того, сокращение числа микросхем в модуле снизило количество вырабатываемого ими тепла, что повысило надежность устройства. Также значительно уменьшился нагрев точек соединения модуля. В результате мощность разработанной системы охлаждения существенно превысила потребности в отводе тепла, что в будущем упростит американским специалистам процесс разработки новых модификаций таких РЛС с более сложными антенными системами.

12.3. Разработка рлс со сверхширокополосными сигналами

Большинство традиционных радиотехнических систем работает в относительно узкой полосе частот и в качестве несущего колебания для передачи информации использует гармонические (синусоидальные) сигналы. Причина проста: синусоида является собственным колебанием LC контура - наиболее элементарной и потому самой распространенной электрической колебательной системы. А резонансные свойства этой системы позволяют легко выполнять частотную селекцию большого числа информационных каналов, работающих в общей среде (пространство, проводная или оптическая линия связи). Поэтому частотная селекция является сегодня основным способом разделения этих каналов, а большинство радиотехнических систем являются узкополосными и работают в полосе частот, намного меньшей, чем их несущая частота. Вся теория и практика современной радиотехники основана на этой особенности. Однако хорошо известно, что именно ширина полосы частот определяет информативность радиотехнических систем, поскольку количество информации, передаваемой в единицу времени, прямо пропорционально этой полосе. Для повышения информационных возможностей системы необходимо расширять ее полосу частот. Альтернативой может быть только увеличение времени передачи информации. В связи со стремительной информатизацией общества и постоянным увеличением информационных потоков эта проблема становится все более актуальной как для радиосвязи, так и для радиолокации. Актуальность проблемы и определила быстрое развитие в последние годы технологий, использующих сверхширокополосные (СШП) сигналы. Проблема перехода к СШП сигналам особенно актуальна для радиолокации. Дело в том, что обычные радары с полосой частот, не превышающей 10% от несущей частоты, позволяют только обнаруживать цель и выдавать ее координаты (с относительно невысокой точностью), но не позволяют получить образ цели или ее изображение. Поэтому сегодня на практике для увеличения информации о наблюдаемом объекте принимаются дополнительные меры. Чтобы повысить информативность радара иногда вводится, так называемый, режим распознавания типа цели, который еще не дает ее изображения, но позволяет по некоторым признакам («портрету») после соответствующей обработки получить дополнительную информацию. Переход к этому режиму уже требует существенного увеличения полосы частот радара и, как следствие, новых подходов, как в методах, так и в технологиях. Дальнейшее увеличение полосы частот и переход к СШП сигналам, позволяет еще больше увеличить количество информации о цели и перейти к получению ее радиоизображения. Повышение информативности радара при использовании сигналов со сверхширокой полосой частот происходит благодаря уменьшению импульсного объема по дальности. Так, при уменьшении длительности излучаемого импульса с 1 мкс до 1 нс глубина импульсного объема радара уменьшается с 300 м до 30 см. Можно сказать, что инструмент, который исследует пространство, становится значительно более тонким и чувствительным. В результате уменьшения импульсного объема СШП радар приобретает ряд новых качеств:

- повышается точность измерения расстояния до цели и разрешающая способность по дальности; в результате повышается разрешающая способность радара по всем координатам, поскольку разрешение целей по одной координате не требует их разрешения по другим координатам;

- уменьшается "мертвая зона" радара;

- производится распознавание класса и типа цели, а также получается радиоизображение цели, поскольку принятый сигнал несет информацию не только о цели в целом, но и об ее отдельных элементах;

- повышается устойчивость радара к воздействию всех видов пассивных помех – дождя, тумана, подстилающей поверхности, аэрозолей, металлизированных полос и т. п., поскольку эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) помех в малом импульсном объеме становится соизмеримой с ЭПР цели;

- повышается устойчивость радара к воздействию внешних электромагнитных излучений и помех;

- повышается вероятность обнаружения и устойчивость сопровождения цели за счет увеличения ЭПР цели;

- повышается вероятность обнаружения и устойчивость сопровождения цели за счет устранения лепестковой структуры вторичных ДН облучаемых целей, так как колебания, отраженные от отдельных частей цели не интерферируют;

- повышается устойчивость сопровождения цели под низким углом места за счет устранения интерференционных провалов в диаграмме направленности (ДН) антенны, поскольку сигнал, отраженный от цели и сигнал, переотраженный от земли, разделяются во времени, что позволяет произвести их селекцию;

- появляется возможность изменения характеристик излучения (ширины и формы диаграммы направленности) путем изменения параметров излучаемого сигнала; в том числе появляется возможность получить сверхузкую ДН;

- повышается скрытность работы радара.

Однако процесс радиолокационного наблюдения при использовании СШП сигналов значительно отличается от аналогичного процесса при использовании традиционных узкополосных сигналов. Это происходит в тех случаях, когда пространственная длительность сигнала становится меньше апертуры антенны или размеров цели. Отличия и особенности проявляются практически на всех этапах: при формировании СШП сигнала, его излучении, отражении от цели, приеме и обработке.

Основными из этих отличий являются:

- изменение формы радиолокационного сигнала в процессе наблюдения за целью. В традиционном, узкополосном радаре сигнал, отраженный от цели, остается по своей форме близким к излученному сигналу. В СШП радаре сигнал существенно изменяется при излучении, отражении от цели и приеме. В результате форма принятого сигнала становится полностью неизвестной. Это не позволяет использовать традиционные методы согласованной обработки сигнала.

- зависимость характеристик антенны от формы сигнала и наоборот - формы сигнала в пространстве от угловых координат. Эта зависимость приводит к тому, что характеристики антенны по полю (ширина и положение главного луча, коэффициент направленного действия, коэффициент усиления) изменяются во времени, становятся нестационарными. Форма диаграммы направленности приемной антенны зависит от направления на передающую антенну. Все это не позволяет использовать традиционные методы определения характеристик антенн. В тоже время появляется возможность управления характеристиками антенны путем изменения параметров сигнала.

- изменение величины эффективной поверхности рассеяния цели во времени. В результате появляются трудности в использовании известных методов определения величина отраженного от цели сигнала. Эта величина теперь зависит от вида обработки сигнала в приемнике радара.

- изменение формы канонического уравнения дальности для определения характеристик СШП радара. Поскольку ряд величин, входящих в уравнение дальности, зависит от времени и от формы сигнала, то и дальность действия радиолокатора также становится связанной с этими параметрами. Использование традиционного уравнения дальности не позволяет определить характеристики СШП радара.

Указанные особенности и отличия создают трудности при расчете и проектировании СШП радаров, поскольку часто не позволяют воспользоваться существующей теорией и известными методами при формировании требований к радарам и их элементам. В результате методы проектирования и расчета СШП радаров, также как и методы их исследования значительно отличаются от методов, используемых в традиционных узкополосных системах. В этом плане применение в радиолокации СШП сигналов выливается в самостоятельное научно-техническое направление с собственными методами теоретического анализа и нетрадиционными схемотехническими решениями.

Первой областью их применения должно было стать обнаружение малозаметных целей, где ожидалось их заметное преимущество по сравнению с обычными узкополосными РЛС. Второй областью применения СШП радаров является обнаружение и наблюдение объектов на коротких дистанциях, составляющих единицы и десятки метров. Это радары, обнаруживающие объекты в плотных средах (почва, лед) и радары, обнаруживающие объекты в воздухе. Практическая потребность в этом классе радаров очень большая. Третья область применения СШП радаров – это получение радиоизображения за счет существенного увеличения количества и повышения качества информации. Такие радары получат также широкое применение, но в более отдаленной перспективе. Сегодня СШП сигналы используются для получения радиоизображения пока только в радарах с синтезированной апертурой, установленных на воздушных носителях. Эти радары предназначаются, как правило, для картографирования местности и для поиска на местности различных объектов, скрытых растительностью или замаскированных иным образом. Четвертая область применение СШП радаров – это контроль акваторий, аэропортов, лесных массивов, территорий различного назначения. Они обеспечивают не только высокое разрешение целей, но и большую устойчивость при работе в пассивных и активных помехах. Не менее актуально использование СШП сигналов в радиосвязи. Их использование позволяет организовать работу нескольких независимых каналов связи в одной и той же полосе частот.