Радиолокационный мониторинг (стр. 5 )

―  управления воздушным движением (УВД);

―  обнаружения, наведения и целеуказания;

―  обнаружения маловысотных целей;

―  наведения зенитных управляемых ракет;

―  орудийной наводки;

―  радиолокационной разведки на поле боя: наземной разведки, наземной артиллерийской разведки, обнаружения стреляющих минометов и стартующих ракет;

―  высотомеры;

―  предупреждения о ракетном нападении (ПРН);

―  противоракетной обороны (ПРО);

―  контроля космического пространства (ККП);

―  полигонные;

―  метеорологические и др.

РЛС загоризонтного обнаружения (или загоризонтные РЛС) основаны[16] на использовании эффекта отражения радиоволн декаметрового диапазона (З...30 МГц) от ионосферы Земли и работают в режиме обратного рассеяния радиоволн, при котором сигнал принимается в месте излучения, или же в режиме прямого рассеяния, когда падающий и рассеянный потоки радиоволн распространяются в одну сторону. Загоризонтные РЛС могут быть односкачковыми и многоскачковыми. Они предназначены для:

―  наблюдения на больших площадях за состоянием поверхности морей и океанов, а также за движением кораблей и самолетов;

―  обнаружения областей с отчетливо выраженной плазменной неоднородностью, создаваемой стартующими баллистическими ракетами и метеорными следами;

―  ионосферных исследований.

Дальность действия загоризонтных РЛС достигает[17] нескольких тысяч километров.

Радиолокаторы подповерхностного зондирования предназначены для обнаружения полостей в грунте, различных объектов, сооружений из бетона, определения толщины льда, подводной радиолокации и др. Достижимая глубина проникновения может составлять[18] до нескольких сотен метров.

Корабельные РЛС предназначены для обнаружения и сопровождения воздушных и надводных целей, обзора надводной и береговой поверхности, целеуказания, наведения зенитных управляемых ракет и орудий, а также для кораблевождения и навигации (определения местонахождения кораблей, их скорости и проверки курса). Для обеспечения необходимого обзора антенные системы корабельных РЛС устанавливают на мачтах, а для устранения влияния качки корабля стабилизируют или расширяют сектор обзора по углу места. На современных кораблях число РЛС может быть более[19] 50.

Авиационные (самолетные) РЛС делятся на: РЛС обзора воздушного пространства, РЛС землеобзора, многофункциональные РЛС.

К РЛС обзора воздушного пространства относятся системы:

―  перехвата и прицеливания;

―  дальнего радиолокационного обнаружения (дозора) и наведения (управления);

―  защиты своих самолетов;

―  обхода препятствий в воздухе (например, грозовых образований) и др.

К радиолокационным системам землеобзора относятся[20]:

―  панорамные;

―  бокового обзора с антенной, расположенной вдоль фюзеляжа;

―  бокового обзора с синтезированной апертурой (РСА);

―  подповерхностной радиолокации.

РЛС космического базирования применяются для дистанционного исследования (в том числе и картографирования) Земли и планет, обеспечения сближения, стыковки и посадки космических аппаратов. Обсуждаются[21] также возможности создания и использования РЛС космического базирования для решения задач противовоздушной и противокосмической обороны.

Использование автоматизированных систем диагностики, поиска неисправностей и восстановления работоспособности обеспечивает длительную непрерывную работу РЛС без выключения на обслуживание и с сохранением всех основных параметров на 20 суток и более, а время восстановления работоспособности - не более чем 0,3...0,5 ч.

Спутниковая навигационная система позволяет осуществлять быструю высокоточную топопривязку. Использование такой аппаратуры повышает мобильность РЛС.

Формирование отраженного радиолокационного сигнала

Вторичное излучение электромагнитных волн. Эффективная площадь рассеяния целей. Явление вторичного излучения, лежащее в основе активной радиолокации, свойственно волнам любой природы. Оно возникает всякий раз, когда волна встречает препятствие на пути своего распространения. Падающую на препятствие волну называют первичной, отраженную, или рассеянную, - вторичной. Препятствие в этом случае является пассивным вторичным излучателем.

Препятствием для радиоволн служит любая неоднородность электрических параметров среды (абсолютной диэлектрической проницаемости, абсолютной магнитной проницаемости, проводимости). В радиолокации интерес представляют как объекты с большой проводимостью, так и объекты с малой проводимостью (диэлектрики): гидрометеоры, неоднородности тропосферы и др. Под действием электрического поля волны на облучаемой поверхности, например проводящей, возникают колебания электрических зарядов. Наведенные при этом токи проводимости являются источником излучения вторичных электромагнитных волн. В диэлектрике таким же источником являются токи смещения.

Характер вторичного излучения зависит[22] от многих факторов, основными из которых являются электрические свойства, геометрическая форма, движение и взаимное перемещение элементов отражающего объекта, соотношение размера объекта и длины облучающей его волны, соотношение размеров объекта и разрешаемого объема пространства (объект считается сосредоточенным, если он попадает в пределы одного разрешаемого объема, и объемно распределенным, если занимает несколько разрешаемых объемов), закон модуляции и поляризация облучающей электромагнитной волны.

Основные виды помех активной радиолокации

Как и в любой радиотехнической системе, в радиолокации может существенно сказываться[23] влияние различного рода помех. Роль помех в активной радиолокации может оказаться еще большей, чем в других РТС, поскольку обычно имеет место существенное ослабление сигнала на пути распространения до цели и обратно. Кроме того, в радиолокации важное значение имеют некоторые специфические виды помех, с которыми гораздо реже приходится считаться, например, в радиосвязи. Такими помехами являются, в частности, пассивные помехи, вызываемые переотражениями от мешающих объектов. По своему происхождению помехи могут быть естественными, взаимными и искусственными.

Естественными являются помехи природного происхождения. Например, естественные пассивные помехи образуются в результате переотражений от холмов, гор, облаков и т. д. Естественные активные помехи создаются излучениями Солнца и других внеземных источников.

Взаимными называют активные помехи, вызываемые влиянием излучений различных радиоэлектронных средств друг на друга. Наряду с взаимными активными помехами иногда наблюдаются также взаимные пассивные помехи, когда в гористой местности помеха радиолокатору создается за счет переотражения колебаний, излучаемых другим радиолокатором.

Искусственные активные и пассивные помехи создаются для радиолокаторов военного назначения. Такие помехи широко применялись во время боевых действий в ходе Второй мировой войны, войн в Корее, во Вьетнаме, на Ближнем Востоке, в Югославии и других локальных конфликтах. Создание помех является одной из форм радиоэлектронной войны (борьбы), а радиоэлектронная война считается важной составной частью информационной войны.

По характеру воздействия на подавляемое средство помехи делятся на маскирующие и имитирующие. Маскирующие помехи создают фон, на котором трудно выделить сигнал, прикрываемый помехой; наряду с этим они обычно подавляют сигнал в нелинейных элементах приемника РЛС. Имитирующие помехи создают эффект ложных целей, затрудняя получение информации об истинных целях. Каждая из трех указанных выше разновидностей помех - естественная, взаимная и искусственная - может быть, в свою очередь маскирующей и имитирующей.

Естественные и взаимные маскирующие активные помехи и принципы защиты от них. Существуют два основных вида источников естественных маскирующих активных помех: дискретные и распределенные. К дискретным источникам помех относятся Солнце, Луна и радиозвезды. К распределенным источникам - галактические шумы, излучение атомарного водорода и шумы атмосферы. Из дискретных источников практически влияние на работу радиолокационных станций СВЧ диапазона могут оказывать Солнце и в меньшей степени Луна. Плотность потока мощности Солнца на длине волны 10 см оказывается[24] порядка (1020...10-18) Вт/м2 Гц, где большее число соответствует повышенной солнечной активности. Эта плотность превышает плотность излучения абсолютно черного тела при температуре 6000 К в 10...1000 раз. На длине волны 1м плотность потока мощности будет (10-23...10-17) Вт/м2 Гц. Из распределенных источников преобладающим является собственное тепловое излучение атмосферы.

В последнее время очень важную роль начинают играть взаимные помехи. По мере стремительного увеличения числа используемых радиоэлектронных средств резко возрастает опасность их взаимных влияний. Чтобы устранить эти влияния, практикуется плановое распределение рабочих частот между различными радиоэлектронными средствами (радиолокационными, в частности) как на основе международных соглашений, так и на основе внутренних регламентации в пределах каждой страны, каждой отрасли народного хозяйства и военного дела. Тем не менее, при отсутствии должных мер защиты от взаимных помех наблюдается взаимное влияние радиоэлектронных средств даже с различными рабочими частотами. Последнее имеет место при наличии внеполосных и побочных излучений радиоэлектронных средств. Наряду с внеполосными и побочными излучениями причиной взаимных помех являются побочные каналы приема в супергетеродинных приемных устройствах. Известно, что при воздействии на смеситель приходящих колебаний частоты и колебаний гетеродина частоты на выходе смесителя образуются колебания ряда комбинационных частот. Если какая-либо из этих частот совпадает с промежуточной, на которую настроены последующие каскады приемника, она усиливается и образуется побочный канал приема.

Характеристики направленности приемных и передающих антенн для внеполосных излучений, побочных излучений и каналов приема обычно отличаются от характеристик направленности для основных каналов излучения и приема, в первую очередь, значительно большим уровнем боковых лепестков.

Во многих случаях может сложиться достаточно сложная обстановка. Действительно, в одном и том же районе передатчики радиоэлектронных средств создают основные, внеполосные и побочные излучения, а приемные устройства этих средств наряду с основными имеют побочные каналы приема. Если основной или побочный канал приема случайно совпадает с основным или побочным каналом излучения и интенсивность излучаемого колебания достаточно велика, может иметь место взаимная помеха, в частности, маскирующая. Так, например, частотно-модулированные и амплитудно-модулированные непрерывные колебания линий связи могут создать маскирующую помеху импульсным радиолокационным приемникам.

Совокупность мер, направленных на исключение взаимных помех, обеспечивает электромагнитную совместимость. Наряду с правильным распределением частот и другими организационными мероприятиями электромагнитная совместимость достигается[25] за счет фильтрации побочных излучений в передающих устройствах, гетеродинных колебаний в приемных трактах, за счет правильного использования условий распространения, особенностей местности, выбора режимов работы радиолокационных средств.

Пассивные маскирующие помехи и способы их создания. К естественным пассивным помехам относятся радиопомехи, создаваемые природными отражателями (местными предметами, водной поверхностью, гидрометеорами, северными сияниями и т. д.). Эти помехи могут существенно нарушать работу аэродромных радиолокаторов, обеспечивающих посадку самолетов, и радиолокаторов военного назначения, используемых для обнаружения целей, особенно на малых высотах.

Наибольшее распространение из искусственных маскирующих пассивных помех получили помехи, создаваемые дипольными противорадиолокационными отражателями. Они представляют собой пассивные полуволновые вибраторы, изготовленные из металлизированных бумажных лент, фольги или металлизированного стеклянного или капронового волокна. Длина узкополосных резонансных вибраторов выбирается примерно равной половине длины волны подавляемой РЛС. Ширина лент в зависимости от их длины может быть в пределах от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, а диаметр волокна - от десятков до сотен микрон при толщине металлического покрытия порядка единиц микрон.

Обычно дипольные отражатели собираются в пачки таким образом, чтобы каждая пачка по своим отражающим свойствам имитировала реальную цель. Число отражателей в пачке зависит от диапазона длин волн, в котором работает подавляемая РЛС.

Основной недостаток таких пачек - узкий диапазон перекрываемых частот (5... 10% от резонансной). Полоса частот расширяется, если пачки комплектовать из вибраторов различной длины или увеличивать длину и поперечные размеры диполей. Пачки помещают между специальными лентами, которые наматываются на барабаны, расположенные в кассетах. Ими могут снаряжаться противорадиолокационные патроны. Возможно также создание пассивных помех с нарезкой дипольных отражателей на борту самолета в зависимости от разведанного диапазона частот подавляемой РЛС.

Для маскировки воздушных целей дипольные отражатели сбрасываются в окружающее пространство при помощи автоматов или бомб (в заднюю полусферу) или выстреливаются при помощи пушек и ракет (в переднюю и заднюю полусферы). При этом могут создаваться как сплошные полосы (облака) пассивных отражателей, так и разрывные.

Методы защиты от пассивных маскирующих помех

Основные различия сигналов целей и пассивных маскирующих помех. Сигналы, отраженные от целей, и пассивные маскирующие помехи в общем случае имеют различные статистические характеристики. Для сигналов и помех, распределенных по нормальному закону, эти различия сводятся к различиям их корреляционных матриц, которые, в свою очередь, обусловлены различиями некоторых физических характеристик целей и отражателей, создающих пассивную помеху. К числу этих различий можно отнести[26] следующие:

―  различие мешающих отражателей и целей по характеру распределения в пространстве. Цель обычно близка к сосредоточенному объекту, мешающие отражатели распределены в пространстве. Повышая разрешающую способность по координатам и сокращая при этом размеры разрешаемого объема (во всяком случае, до размеров, превышающих размеры самолета), можно добиться улучшения наблюдаемости сигнала на фоне пассивных помех;

―  различия в поляризации отраженных сигналов наблюдаются, если пассивная помеха создается, например, гидрометеорами (дождь, тучи), состоящими из мелких капель, имеющих форму шара. Если гидрометеоры облучаются колебаниями с круговой поляризацией, то они отражают колебания также с круговой поляризацией, но с обратным (в направлении распространения волны) вращением плоскости поляризации. Если приемная антенна не воспринимает колебания с такой поляризацией, она, тем не менее, может принимать колебания от целей, обладающих несимметрией структуры;

―  различия в скорости перемещения мешающих отражателей и цели. Скорость перемещения наземных мешающих отражателей относительно наземной радиолокационной станции близка к нулю, в то время как представляющие практический интерес цели перемещаются с достаточно большой скоростью.

Если пассивная помеха создается противорадиолокационными отражателями, то эти отражатели, будучи сброшены с самолета, быстро приобретают скорость, близкую к скорости ветра. Поскольку скорость ветра не постоянна по высоте, имеет место разброс скоростей противорадиолокационных отражателей. Тем не менее, различия в радиальных скоростях целей и отражателей имеются и могут быть использованы для селекции. Селекцию по скорости (или по эффекту движения цели) называют селекцией движущихся целей (СДЦ). В основе СДЦ лежит явление деформации структуры сигнала при отражении от движущейся цели.

Глава 3. Радиолокационный мониторинг
техносферы Земли

3.1. База радиоволнового
неразрушающего контроля

Радиоволновой неразрушающий контроль основан на анализе взаимодействия электромагнитного излучения радиоволнового диапазона с объектами контроля. На практике наибольшее распространение получили сверхвысокочастотные (СВЧ) методы, использующие диапазон длин волн от 1 до 100 мм. Взаимодействие радиоволн может носить характер:

―  взаимодействия только падающей волны (процессы поглощения, дифракции, отражения, преломления, относящиеся к классу радиооптических процессов);

―  взаимодействия падающей и отраженной волн (интерференционные процессы, относящиеся к области радиоголографии).

Кроме того, в радиодефектоскопии могут использоваться специфические резонансные эффекты взаимодействия радиоволнового излучения (электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс и др.).

Использование радиоволн перспективно по двум причинам:

1.  достигается расширение области применения неразрушающего контроля, так как для контроля диэлектрических, полупроводниковых, ферритовых и композитных материалов радиоволновые методы наиболее эффективны;

2.  появляется возможность использования радиоволн СВЧ диапазона.

Особенности использования волн СВЧ:

―  диапазон СВЧ позволяет получить большой интервал мощностей генерируемых волн, что удобно для контроля материалов и сред различной степени прозрачности, от весьма тонких до таких, как мощные бетонные основания;

―  волны СВЧ легко получить в виде когерентных поляризованных гармонических электромагнитных колебаний, а это дает возможность обеспечивать высокую чувствительность и точность контроля, используя интерференционные явления, возникающие при взаимодействии когерентных волн с диэлектрическим слоем;

―  с помощью СВЧ можно осуществить бесконтактный контроль качества при одностороннем расположении аппаратуры по отношению к объекту - способ контроля на отражение;

―  волны диапазона СВЧ могут быть остро сфокусированы, что позволяет обеспечить локальность контроля, минимальный краевой эффект, помехоустойчивость по отношению к близкорасположенным предметам, исключить влияние температуры объекта контроля на измерительные датчики и Т. п.;

―  информация о внутренней структуре, дефектах и геометрии содержится в большом числе параметров полезного СВЧ сигнала: амплитуде, фазе, коэффициенте поляризации, частоте и Т. д.;

―  применение радиоволн СВЧ диапазона обеспечивает весьма малую инерционность контроля, позволяя наблюдать и анализировать быстропротекающие процессы;

―  аппаратура диапазона СВЧ может быть выполнена достаточно компактной и удобной в эксплуатации;

―  при использовании резонансных радиоволновых СВЧ методов имеется возможность многопараметрового контроля геометрии, состава и структуры материалов в «здоровой» и «дефектной» зонах.

Преимущественная область применения методов и техники СВЧ - это контроль полуфабрикатов, изделий и конструкций из диэлектрических, композитных, ферритовых и полупроводниковых материалов. При контроле объектов из различных металлов и сплавов радиоволны могут использоваться только для измерения геометрических размеров, так как от металлических структур радиоволны полностью отражаются. Поэтому измерение толщины металлических листов, проката, лент возможно только при двухстороннем расположении измерительных преобразователей.

Электромагнитная волна представляет собой совокупность быстропеременных электрического Е и магнитного Н полей, распространяющихся в определенном направлении z. В свободном пространстве электромагнитная волна поперечна, Т. е. векторы Е и Н перпендикулярны направлению распространения волны z (продольная волна отсутствует) (рис. 3.1).

При радиоволновом контроле диэлектрических материалов необходимо знать диэлектрическую постоянную e и тангенс угла диэлектрических потерь tg d (обычно для диэлектриков магнитная проницаемость m = 1) (табл. 3.1), для полупроводников и магнитных материалов необходимо учитывать e и m, для металлов в основном имеет значение величина проводимости s.

В неограниченной диэлектрической среде без потерь m = 1; s = 0, наличие магнитной составляющей поля связано с существованием электрической составляющей Е, играющей основную роль в современных средствах контроля.

Рис. 3.1. Схема расположения векторов Е, Н и S в бегущей электромагнитной волне

Таблица 3.1.

Диэлектрические свойства сухих материалов в диапазоне сверхвысоких частот

Материал	e	tg d × 10-3	Плот ность, г/см3	Темпера тура,°С
l=10 см	l=3см	l= 10 см	l=3см
Окись алюминия	9,6	9,2	0,02	0,08	1,4	20
Окись бериллия	6,5	6,8	0,02	0,08	1,4	25
Кремнезем	3,8	3,8	0,6	0,9	1,9	20
Окись магния	8,6	9,4	0,01	0,2	1,7	20
Полиэтилен	2,4	2,7	0,1	0,1		20
Тефлон	2,05	2,07	0,02	0,4	-	-
Полистирол	2,4	2,6	0,6	2	-	-
Плексиглас	2,5	2,7	6	8	-	-
Целлюлоза ацетатная	3,2	3,6	14	23	-	-
СаСО2	6,7	7,2	11	20	-	-
Плавленый кварц	3,4	3,9	0,1	0,1	-	-
Парафин	2,2	2,3	0,2	0,25	-	-
Бакелит	1,5	1,7	60	80	-	-
Цемент(новороссийский)	2,65	4,0	35	20	1,7	20
Нейлон	2,6	2,8	6	10	-	20
Лед	3,17	3,17	0,7	0,7	0,92	1
Снег	1,2	1,26	0,4	0,4	0,3	2
Растительный жир	2,2	2,2	40	50	-	20
Кирпич красный	3,4	3,7	25	30	1,7	-
Кирпич пористый	2,9	3,0	20	22	1,0	20
Кирпич силикатный	3,1	3,2	14	32	1,7	20
Гипс	2,65	2,8	5	7	1,8	20
Мел	2,2 - 3,0	2,5 - 3,2	11 - 20	20 - 35	1,0 - 1,7	20
Пиритные огарки	2,2 - 3,2	2,5 - 3,7	30 - 54	40 - 45	1,0 - 1,6	-
Асбест	1,8	2,0	40	60	1,1	-
Древесина (береза)	2,5	2,6	70	120	0,7	-
Дуб	3,1	3,6	40	90	0,82	-
Древесноволокнистые плиты	2,9	3,2	36	80	0,2	-
Сосна	2,6	2,8	20	40	0,5	-
Ель	2,6	2,8	14	36	0,4	-
Фанера (6 мм)	3,2	4,1	80	320	0,65	-
Нитрон	1,5	1,7	0,3	0,4	-	-
Лавсан	1,2	1,36	0,2	0,4	-	-
Винол	1,4	1,5	0,32	0,45	-	20
Капрон	1,2	1,3	0,4	0,51	-	-
Полипропилен	1,25	1,37	0,27	0,36	-	-
Антрацит	4,6	5,6	3	4,8	1,4	-
Хлопок-сырец	2,2	2,6	0,35	0,38	0,06	-
Войлок шерстяной	3,1	3,4	6	8	0,25	-
Глина огнеупорная	4,2	4,8	3	6	1,8	-
Каолин	3,2	3,7	0,48	0,8	1,7	-
Карбоксилметилцеллюлоза	3,2	3,8	0,25	0,76	0,4	-
Аглопорит	2,4	2,9	2,8	7	0,7	-
Керамзит	2,1	2,3	3,2	8	0,5	-
Гравий	1,8 - 2,3	2,1 - 2,6	0,3 - 0,6	0,4 - 0,8	1,4 - 1,9	-
Грунт-суглинок	3,2	3,8	7	8,9	1,9	-
Грунт песчаный	3,6	4,1	3	5	1,4	-
Доломит	3,2	3,4	2,7	3,1	2,6	-
Линолеум	4,6	5,8	61	320	1,1	-
Магнезия (порошок)	2,9	3,6	5,2	20	0,4	-
Минеральная вата	1,8	1,9	0,9	1,1	0,1	-
Минераловатная плита	4,2	4,6	5	9	0,4	-
Мрамор	2,1	2,4	0,36	0,5	2,7	-
Шамот ШС-4	-	3,6	-	12,7	-	20
Бакор-33	-	7,4	-	41,8	_	300
Пенопласт	1,6	1,7	0,3	0,36	0,03	-
Пеностекло	2,6	2,9	0,46	0,63	0,3	20
Песок речной	2,1	3,0	1,2	2,1	1,5	-
Песок кварцевый	2,0	2,1	1,1	1,6	1,3	-
Гуттаперча	2,4	2,3	6	5	-	-
Пчелиный воск	2,3	2,3	5	4,8	-	-
Красное дерево	1,7	1,7	27	29	-	-
Мыло	2,9	3,1	110	170	-	-
Мясо (натуральное)	40	30	330	370	-	-
Поваренная соль	6,0	6,0	0,2	0,2	-	-
Фарфор литой	5,6	5,5	13	15	-	-
Фарфор прессованный	5,0	5,1	9	15	-	-
Стекло	5,1-7,2	5,1-7,2	10-22	10-24	-	-
Бакелит (плиточный)	3,7	3,6	43	41	-	-
Каучук	2,3	2,3	3	3	-	-
Слюда	1,6	1,6	0,21	0,22	-	-
Сланцы эстонские	3,1	3,4	5,2	5,8	-	-
Торф фрезерный	3,2	3,8	7,1	8,9	-	-
Торфоплиты	2,9	3,1	20	28	-	-
Фаянс	4,6	4,8	7	8,2	-	-
Лен	2,1	3,2	40	65	0,09	-
Известняк	3,8	4,3	54	62	1,4	-
Кожа	4,6	5,2	35	72	0,7	-
Кокс	4,8	5,1	20	22	0,5	-
Асфальтобетон	3,6	4,3	65	91	2,1	-
Тяжелый бетон	4,1	4,5	8	И	2,2	-
Пенобетон	3,1	3,1	4	4	0,3	20
Нефть сырая	4,2	4,4	88	62		-

Одним из важнейших параметров электромагнитной волны является ее поляризация, определяемая ориентацией вектора Е в пространстве по мере ее распространения. Волну называют естественной (неполяризованной), если вектор Е принимает в плоскости, перпендикулярной к направлению ее распространения, в различные моменты времени различные направления, а конец его описывает окружность. Если при тех же условиях конец вектора описывает эллипс, то волну называют частично поляризованной по эллипсу. Когда вектор Е равномерно вращается (влево и вправо) вокруг направления распространения, а конец его описывает эллипс, то волну называют поляризованной по эллипсу (влево и вправо) (рис. 3.2). В частных случаях эллипс вырождается в окружность (волна поляризована по кругу) или прямую линию (плоскополяризованная волна).