Основы теории радиоэлектронного подавления

Модулированные помехи принято разделять по виду модулируемого параметра несущего колебания:

· на амплитудно-модулированные шумовые помехи (АМШП);

· фазомодулированные шумовые помехи (ФМШП);

· частотно-модулированные шумовые помехи (ЧМШП).

Реально в СВЧ приборах не удается реализовать "чистую" модуляцию по одному из указанных параметров. Поэтому реально имеет место комбинированная модуляция, например AM-ФМ; ФМ-AM и т. д. Название помех принято определять тем видом модуляции, который преобладает в данном передатчике.

СВЧ приборы, применяемые в передатчиках помех:

· лампы бегущей волны (ЛБВ-О);

· лампы обратной волны со скрещенными полями (ЛОВ-М).

Полупроводниковые приборы:

· лавинно-пролетные диоды (ЛПД);

· диоды с барьером Шоттки;

· биполярные и полевые транзисторы и т. д.

Основное внимание далее будет уделено рассмотрению передатчиков помех на вакуумных приборах: ЛБВ-О, ЛОВ-М, магнетронах, как наиболее мощных приборах.

Принципы построения передатчиков прямошумовых радиопомех [4]. Известно, что наилучшими маскирующими свойствами обладают "белые" гауссовы шумы. К "белым" шумам, подчиняющимся гауссову закону распределения мгновенных значений, относятся тепловые шумы резисторов, дробовые шумы электронных ламп и полупроводниковых приборов, фоторезисторов и фотоэлементов. Поэтому естественно стремление использовать указанные источники шумов для получения помеховых сигналов.

Реализуется это в так называемых передатчиках прямошумовых радиоэлектронных помех. Шумы первичных источников усиливаются, проходят цепь преобразований спектра и антенной передатчика излучаются в пространство.

Характерной особенностью помехового сигнала такого вида является то, что все его параметры - амплитуда, фаза (частота) изменяются по случайным законам.

Общее выражение для напряжения прямошумовых помех имеет вид

,

где U_m(t), Дш(t) - случайные функции времени. Текущее значение частоты помехового сигнала

является случайной функцией времени с математическим ожиданием, равным щ₀.

Обычно для этих сигналов удовлетворяется условие ?f_п/f₀ <<1 (?f_п - ширина спектра помехового сигнала), в связи с чем их часто называют квазигармоническими шумами.

На практике нашли применение два типа передатчиков прямошумовых радиопомех:

· с прямым усилением шумов первичного источника;

· с переносом спектра шумов первичного источника методом гетеродинирования.

Упрощенная структурная схема передатчика прямошумовых радиопомех с непосредственным (прямым) усилением шумов представлена на рис. 8,а. Графики спектральных плотностей шума первичного источника G_m(f) и формируемого помехового сигнала G_п(f) приведены на рис. 8,б. Там же показан примерный вид амплитудно-частотной характеристики перестраиваемого фильтра К²_ф(f).

В передатчиках прямошумовых помех (с прямым усилением) используются специально разработанные вакуумные или полупроводниковые шумовые диоды. В вакуумном диоде для повышения уровня дробовых шумов используют высокотемпературный катод прямого накала. Диод работает в режиме насыщения анодного тока.

В полупроводниковых шумовых диодах используют явления лавинного пробоя. Но, несмотря на принимаемые меры, уровень спектральной плотности шумов таких источников не превышает G_m(f) =10^-17 …10^-16 Вт/Гц, а ширина спектра не превышает 2?10⁸…3?10⁸ Гц.

Требуемая ширина спектра помех ?f_п формируется узкополосным перестраиваемым фильтром. Настройка на несущую частоту подавляемой РЛС f₀ производится по сигналам разведывательной части станции помех. Часто настройка полосового фильтра бывает фиксированной, и каждый передатчик работает на фиксированной частоте, а заданный диапазон рабочих частот перекрывается помеховыми сигналами от нескольких передатчиков, спектры которых примыкают друг к другу.

Так как мощность передатчика помех

Р_п? G _п(f₀) ?f _п

существенно (в сотни и тысячи раз) превосходит мощность первичного источника шума, то при формировании узкополосных помеховых сигналов вынуждены применять многокаскадные резонансные усилители.

А

б

Рис. 8. Передатчик прямошумовых радиопомех с прямой фильтрацией

спектра шума первичного источника:

а - структурная схема; б - графики, поясняющие его работу

Число каскадов может быть уменьшено при построении передатчика помех по структурной схеме, приведенной на рис. 9, а. Графики спектров, поясняющие работу передатчика, изображены на рис. 9, б. Сравнительно низкочастотные шумы U_m(t), имеющие неравномерную спектральную плотность, поступают на корректирующий фильтр.

Амплитудно-частотная характеристика фильтра выбирается из условия выравнивания спектра сигнала первичного источника, т. е.

в интервале 0<F<F_max. Это позволяет выровнять ("отбелить") шум первичного источника (на рис. 9,б). Далее эти шумы поступают на смеситель. На второй вход смесителя поступают синусоидальные колебания с перестраиваемого по частоте генератора.

Смеситель собран по балансной схеме. В нем с сигналами осуществляется операция, близкая к операции умножения, так что

,

а

б

Рис. 9. Передатчик прямошумовых помех с перекосом спектра:

а - структурная схема; б - графики, поясняющие его работу

где - коэффициент передачи смесителя. В результате такого преобразования на выходе смесителя выделяются две полосы спектра

f_i =f_г ±F_i

(F_i - i-я составляющая спектра шума первичного источника). Из спектра сигнала на выходе смесителя резонансным перестраиваемым фильтром выделяется полоса частот. Полученный таким образом сигнал усиливается и излучается в пространство.

Балансный смеситель можно рассматривать и как амплитудный модулятор с подавлением несущего колебания шума.



2.2 Принципы построения передатчиков шумовых радиопомех с амплитудной модуляцией

В передатчике этого типа [4] высокочастотное синусоидальное колебание

модулируется видеошумами u_ш(t) по амплитуде (спектр шума показан на рис.10,а).

Помеховый сигнал в этом случае описывается выражением

,

где .

Здесь - крутизна модуляционной характеристики передатчика.

Обозначим

.

Коэффициент называют мгновенным коэффициентом амплитудной модуляции. Окончательно для АМ-шумов получим

.

Представим формулу в виде

.

Из этого выражения следует, что спектр АМШП (G_n(f) на рис. 10,б) содержит регулярную составляющую на частоте f₀=щ₀/2р.

Спектр модулирующих шумов u_m(t) образует боковые полосы с частотами

f₊=f₀+F_i и

f-=f₀-F_i,

где F_i - i-я составляющая спектра модулирующих шумов.

Полная мощность передатчика АМ-помех

,

где - мощность регулярной составляющей несущего колебания; - мощность боковых составляющих спектра помехового сигнала.

Маскирующий эффект при подавлении РЛС обзора создает преимущественно боковые составляющие спектра. Поэтому естественно стремление перераспределить мощность в пользу . Это до определенного предела удается сделать за счет предварительного двустороннего ограничения шумового напряжения, как показано на рис. 11, где приведены характеристика ограничителя и графики шумовых напряжений и . Основной характеристикой ограничителя является относительный уровень ограничения

,

где - абсолютный уровень ограничения шумов;

- эффективное значение напряжения ограничиваемых шумов.

б

Рис. 10. Спектральные плотности:

а - модулирующих шумов; б - амплитудно-модулированной шумовой помехи

При росте и происходит перераспределение мощности передатчика в пользу . Можно показать, что при прочих равных условиях модуляция практически неограниченным шумом а₀ = 3 дает , а при а₀>0 (предельное ограничение) . В связи с этим для модуляции применяют только ограниченные по мгновенным значениям шумовые напряжения.

Но здесь следует иметь в виду одно обстоятельство. С ростом степени ограничения модулирующих шумов амплитуда АМ-шумов становится все более регулярной, а при предельном ограничении (при а₀>0) она будет принимать только два значения - 1 и 0 (рис. 11,б). При этом, естественно, ухудшаются маскирующие свойства АМШП.

б

Рис. 11. Ограничение модулированных шумов в передатчике АМШП:

а - характеристика ограничителя; б - форма колебаний на выходе передатчика АМШП при глубоком ограничении модулирующего шума

В СВЧ-диапазоне преимущественно используют два типа передатчиков [4] АМШП - в виде автогенераторов на магнетронах и модуляторов на лампах бегущей волны (ЛБВ-О). Функциональная схема генератора на магнетроне (М) приведена на рис. 1

С генератора модулирующих шумов сигнал поступает на ограничитель и далее на модулятор. Последний представляет собой усилитель на мощных электронных лампах, включенных последовательно с магнетроном. Суммарный ток ламп должен быть равен номинальному току магнетрона.

Рис. 12 Функциональная схема передатчика АМШП на магнетроне

Магнетрон относится к автогенераторным устройствам замкнутого типа, т. е. при приложении между анодом и катодом определенного напряжения в нем возникают незатухающие колебания. Изменение анодного напряжения магнетрона наряду с амплитудой изменяет и частоту генерируемых колебаний. Поэтому модулирующие шумы ограничивают, а амплитуду колебаний выбирают так, чтобы напряжение (положительная волна модулирующего напряжения) соответствовало номинальному значению мощности генерируемых магнетроном колебаний, а напряжение (отрицательная полуволна шумовых колебаний) - срыву колебаний. В результате магнетрон работает в режиме прерывистой модуляции, а генерируемый им шум будет представлять помеховый сигнал, график которого показан на рис. 11,б.

Схема генератора для получения АМШП с использованием ЛБВ-О приведена на рис. 13. Кратко рассмотрим работу ЛБВ в режиме усиления СВЧ-колебаний. ЛБВ представляет собой вакуумный прибор, содержащий следующие элементы: 1 - катод с системой электростатической фокусировки электронного пучка (на рис. не показано); 2 - первый анод (управляющий током электрод); 3 - второй анод (ускоряющий электрод); 4 - металлическая спираль (замедляющий электрод); 5 - электромагнитная фокусирующая катушка; 6 - коллектор электронов; 7 - входной и выходной элементы связи спирали с входным и выходным волноводами или коаксиальными кабелями.

Сфокусированный и ускоренный анодами электронный поток поступает в пространство взаимодействия (внутренняя полость спирали) с переменным электрическим полем спирали. Последнее возникает в результате того, что во входном элементе связи подведенное к ЛБВ поле е(t)=E_m0 cos щ₀t наводит ЭДС. Скорости электронов пучка х_e и фазовая скорость электромагнитного поля вдоль спирали подбираются примерно равными. При этом скорость распространения волны вдоль витков спирали будет близкой к скорости света. Между соседними витками спирали возникает переменное электрическое поле. Если направление вектора переменного электрического поля совпадает с направлением вектора скорости электронов, то последние ускоряются, отбирая часть энергии от спирали. И, наоборот, если электроны замедляются, то они передают часть своей кинетической энергии переменному электромагнитному полю спирали. Очевидно, что в соседних промежутках между витками спирали будут поля различных знаков. Поэтому часть электронов ускорится, а часть - замедлится. Непрерывный поток электронов, вошедших в пространство взаимодействия, разорвется, образуются чечевицеобразные их сгустки.

Рис. 13. Функциональная схема передатчика АМШП на ЛБВ-О

Изменением средней скорости электронов (напряжения на первом, а чаще на втором аноде) можно добиться получения таких фазовых соотношений между скоростью образующихся в пространстве взаимодействия сгустков электронов и фазовой скоростью волны вдоль оси спирали, при которой электроны преимущественно будут тормозиться и передача электронами энергии спирали существенно превзойдет ее отбор. В результате поле на выходе ЛБВ-О

,

где - коэффициент усиления ЛБВ по напряженности поля; - время распространения волны по спирали.

В режиме получения АМШП ЛБВ-О работает как усилитель с переменным значением коэффициента усиления

.

В этом режиме разведывательная часть станции радиопомех обеспечивает определение и длительное запоминание несущей частоты подавляемой РЛС f₀, так что на вход ЛБВ поступают колебания . Устройство запоминания частоты (УЗЧ) в станции может и отсутствовать, а в ЛБВ модулируется принятый сигнал подавляемой РЛС. Так может реализоваться, например, АМШП на частоте сканирования антенны подавляемой РЛС.

Модулирующие видеошумы с генератора поступают на двусторонний ограничитель и далее на модулятор. Последний в простейшем случае представляет собой транзистор, включенный последовательно в цепь питания первого анода. Изменение напряжения шумов u_m0(t), поданных на сетку лампы, вызывает изменение падения напряжения на внутреннем сопротивлении лампы . Напряжение на участке катод - первый анод ЛБВ-О

при этом оказывается переменным, изменяющимся в такт с изменением подведенного шумового напряжения. Изменение прежде всего влияет на число электронов, попадающих в пространство их взаимодействия с полем спирали. Естественно, что пропорционален числу прошедших через ЛБВ электронов. Таким образом, изменения приводят к изменению и позволяют тем самым получить АМШП.

Если между , и существует прямая пропорциональная зависимость, то помеховый сигнал

где - мгновенное значение коэффициента помеховой модуляции поля. Однако одновременно модулируется и скорость электронов, а следовательно, и время пролета их через спираль . В результате возникает паразитная фазовая модуляция.

В самом деле, если , то текущая фаза колебаний

будет меняться в такт с изменением модулирующих шумов. Часто это явление оказывается нежелательным из-за неизбежного расширения спектра помехового сигнала.

Для устранения паразитной фазовой модуляции шум стремятся предельно ограничить, а лампу модулятора ставят в режим коммутации тока. Как и в рассмотренном выше случае с использованием магнетрона, получаются прерывистые колебания.

Их график показан на рис. 11, б.

Реально достижимое значение коэффициента усиления ЛБВ-О средней и большой

мощности составляет 25…40 дБ, то есть несколько ниже, чем у многорезонаторных клистронов (60 дБ). В маломощных ЛБВ-О коэффициент усиления может достигать 60 дБ.

Рассмотренные схемы передатчиков шумов применяют преимущественно для получения узкополосных шумовых сигналов, например, при создании помех на частоте сканирования.

2.3 Построение передатчика шумовых радиопомех с фазовой модуляцией

ФМШП представляют собой высокочастотные колебания, мгновенные значения начальной фазы которых изменяются во времени по закону изменения напряжения

u_m(t) модулирующего шума. Аналитическое выражение помехового сигнала этого вида имеет вид

,

Где

- приращения фазы помехового сигнала, изменяющиеся во времени по случайному закону;

- крутизна фазовой модуляционной характеристики передатчика.

Для получения ФМШП необходимо иметь СВЧ-прибор с более или менее линейной фазовой характеристикой. Существует много способов получения таких сигналов. Но в СВЧ-диапазоне наиболее часто для этой цели используются ЛБВ-О [4].

Отличие передатчика ФМШП (рис. 14) от только что рассмотренного АМ-передатчика (см. рис. 13) состоит только в том, что лампа модулятора Л (или транзистор) включается последовательно в цепь питания второго анода, а ограничитель отсутствует, то есть модулирующие шумы подаются с генератора непосредственно на управляющую сетку лампы.

Рис. 14. Функциональная схема передатчика ФМШП на ЛБВ-О

Если на вход ЛБВ поступают колебания вида

е(t)=E_m0 cos щ₀t,

то, как уже было показано выше, колебания на ее выходе будут определяться выражением

,

где - время запаздывания (распространения) электромагнитной волны в ЛБВ.

При условии скорость электрона, попадающего в пространство взаимодействия с электромагнитным полем спирали, определяется в основном ускорением его полем второго анода и определяется выражением

,

Поскольку

,

где а - ускорение, которое находится из равенства сил

, пройденный путь

(рис. 15), откуда время пролета

,

средняя скорость движения

.

Здесь - скорость электрона, приобретенная за счет его ускорения полем между первым анодом и катодом; е, m - заряд и масса электрона соответственно; k_э - коэффициент пропорциональности.

Рис. 15. К выводу формулы скорости движения электрона

Ускоряющее напряжение за счет изменения шумовым напряжением внутреннего сопротивления лампы модулятора приобретает переменную составляющую, изменяющуюся по случайному закону. Очевидно, что

,

где - переменное сопротивление модулятора, изменяющееся за счет изменений напряжения на транзисторе; i - ток, протекающий в лампе модулятора; U_a0 - постоянное (среднее) падение напряжения в модуляторе.

Скорость электронов, влетающих в пространство между первым и вторым анодом, х_e0 существенно меньше ее приращения за счет поля второго анода. Поэтому, можно считать, что

,

где - коэффициент пропорциональности.

Строго говоря, ток i зависит от напряжения на участке катод - второй анод ЛБВ. Из-за этого возникает паразитная амплитудная модуляция усиливаемых колебаний. Но этот процесс проявляется значительно слабее, чем результат модуляции скорости электронов. Поэтому на формирование спектра G_п(f) преобладающее влияние оказывает модуляция скорости электронного потока и обусловленная этим фазовая модуляция усиливаемых колебаний. Если длина спирали равна L, то время пролета электроном пространства взаимодействия

Зависимость является существенно нелинейной. Но всегда можно некоторый небольшой участок характеристики аппроксимировать линейной зависимостью, полагая

,

где ,

k₂ - коэффициент пропорциональности.

Промодулированные по скорости электроны по-прежнему будут отдавать ему часть своей кинетической энергии. При этом изменения скорости электронов будут изменять фазу, в которой сгустки электронов будут передавать свою энергию полю спирали. Волна деформируется, превращаясь по мере распространения по спирали из синусоидальной в сложное, полигармоническое колебание, первая гармоника которого приобретает фазу, определяемую фазой взаимодействия электронных сгустков с волной.

Подставив в это выражение, получим

.

Теперь

- постоянный фазовый сдвиг усиливаемых колебаний, a

- переменный, обусловленный модуляцией шумом, набег фазы. В результате получим

.

Таким образом, изменение скорости электронов на входе замедляющей системы по закону модулирующих шумов позволяет получать ФМШП.

Важнейшими преимуществами ФМШП по сравнению с АМШП являются:

· отсутствие (при достаточно глубокой модуляции) в ее спектре несущего колебания;

· возможность простым изменением коэффициента усиления модулятора, то есть u_m(t), в весьма широких пределах менять ширину спектра помехового сигнала.

Характерной особенностью модуляции по фазе является зависимость глубины модуляции от частоты модулирующего сигнала, т. е. повышение роли (подчеркивание) в спектре помехового сигнала высокочастотных составляющих спектра модулирующих шумов u_m(t). Действительно, по определению текущая частота сигнала , где - текущая фаза колебаний, то есть

.

Следовательно, чем выше частота составляющей спектра модулирующего сигнала, тем большую девиацию щ₀ она вызывает

.

Однако изменение в широких пределах нарушает оптимальные соотношения скоростей сгустков электронов и фазы волны вдоль оси ЛБВ. Возникает глубокая паразитная амплитудная модуляция, падает Р_п.п. Поэтому в станциях помех с фазовой модуляцией преимущественно получают узкополосные шумы для подавления РЛС с непрерывным и квазинепрерывным излучением.

Ограничение модулирующих шумов при фазовой модуляции недопустимо. Это связано с тем, что при ограничении в спектре ФМШП появится регулярная составляющая, что резко снижает эффективность рассматриваемого вида радиопомех.

2.4 Построение передатчика шумовых радиопомех с частотной модуляцией

ЧМШП называют непрерывное колебание, у которого текущее значение частоты изменяется по закону изменения модулирующих шумов, то есть

,

где - крутизна модуляционной (по частоте) характеристики передатчика помех.

Так как текущие значения фазы и частоты связаны соотношением

,

частотно-модулированный помеховый сигнал можно записать в виде

.

Отсюда следует,

что для получения колебаний указанного вида необходимо иметь генератор, у которого частота генерируемых колебаний прямо пропорциональна напряжению модулирующих шумов.

Часто в передатчиках ЧМШП в качестве генераторного устройства используют лампы обратной волны с ортогональными (скрещенными) электрическим и магнитным полями - ЛОВ-М [4].

Работу такого передатчика рассмотрим с помощью схемы, приведенной на рис. 16. Здесь: 1 - катод с системой фокусирования луча; 2 - управляющий электрод; 3 - замедляющая система; 4 - поглотитель электромагнитной энергии; 5 - коллектор электронов; 6 - холодный катод; 7 - элемент связи замедляющей системы с волноводом.

Примерный вид траектории движения электронов е под воздействием скрещенных магнитного и электрического полей показан пунктиром. Для продольного расположения электродов это будет циклоида.

Существенное отличие приборов типа М от приборов типа О, например ЛБВ-О, состоит в том, что в первых в энергию СВЧ-поля преобразуется не кинетическая, а потенциальная энергия электронов. Достигается это за счет использования в них для управления электронами взаимно-перпендикулярных электрического Е и магнитного В полей. Последнее создается постоянным магнитом, силовые линии поля которого ортогональны силовым линиям поля Е, создаваемого напряжениями на управляющем электроде и холодном катоде. Электроны, эмиттированные катодом, фокусируются в тонкую ленту, ширина которой равна поперечному размеру штырей замедляющей системы.



Рис. 16. Функциональная схема передатчика ЧМШП на ЛОВ-М

Под воздействием скрещенных полей на начальном участке траектории (до входа в пространство взаимодействия) электроны движутся по циклоиде, т. е. участвуют в двух движениях: поступательном - под действием поля ускоряющего электрода и вращательном - под воздействием магнитного поля.

Если электроны в момент вхождения в пространство взаимодействия имеют "правильную" начальную скорость х_e = E/B (E - напряженность электрического поля, создаваемого разностью потенциалов анода и холодного катода; В - магнитная индукция, создаваемая постоянным магнитом), то дальнейшая траектория электронов будет представлять собой прямую линию, проходящую между анодом и холодным катодом. "Выравнивание" циклоиды объясняется тем, что электрическая сила, притягивающая электрон к аноду, уравновешивается магнитной силой, закручивающей электрон по часовой стрелке. Таким образом, при правильно выбранной скорости вхождения электронов в пространство взаимодействия между анодом и холодным катодом на коллектор будет проходить сфокусированный в ленту поток электронов. Расстояние электрона от холодного катода определяет значение его потенциальной энергии. Если электрон достигает замедляющей системы, то последняя равна нулю. Когда электрон находится у холодного катода, то она максимальна.

Если в одной из ячеек замедляющей системы возникнут колебания (например, за счет флюктуации тока луча), то за счет связи они возбудят колебания в соседних элементах. По замедляющей системе начинают распространяться в обе стороны - навстречу электронному потоку - обратная волна, попутно с ним попутная или прямая волна. Прямая волна, достигнув поглотителя 4, поглощается в нем почти полностью, а встречная наращивает свою энергию за счет отбора потенциальной энергии от электронов луча.

Переменное электрическое поле, возникающее между штырями замедляющей системы, своими силовыми линиями "провисает" в пространстве взаимодействия. Его силовые линии представляют собой кривые, соединяющие соседние штыри. Формирование сгустков электронов происходит примерно так же, как и в ЛБВ-О. При этом в процессе участвует не только переменное электрическое поле замедляющей системы, но и поле постоянного магнита. Модуляция скоростей электронов в луче приводит не только к образованию их сгустков, но и к смещению сгустков относительно замедляющей системы: заторможенный электрон приближается к аноду, передавая часть своей потенциальной энергии переменному полю, а ускоренный удаляется от анода и отбирает из переменного поля часть его энергии.

Задача поддержания положительного баланса передачи энергии переменному полю обратной волны (тем самым поддержание незатухающих колебаний) достигается за счет выбора переносной скорости сгустков электронов, имеющей такое значение, при котором модуль фазовой скорости обратной волны |х_ф|= х_e, т.е. сгустки, каждый раз оказывается между зазорами замедляющей системы в момент, когда поле для них оказывается тормозящим.

Колебательная система ЛОВ-М за счет связи между отдельными ее элементами имеет множество резонансных частот. Поэтому в ней в момент возникновения колебаний распространяется множество волн (гармоник). Но поддерживается и нарастает только та из них, для которой выполняется условие |х_ф|= х_e. Следовательно, изменив х_e, можно изменить частоту гармоники, для которой существуют наиблагоприятнейшие условия для передачи энергии электронов полю замедляющей системы, т.е. частоту генерируемых колебаний. Характер зависимости частоты генерируемых колебаний от напряжения на ее электродах и процесс получения ЧМШП иллюстрируются рис. 17.

Для настройки передатчика помех на центральную частоту подавляемой РЛС изменяют напряжение на управляющем электроде (см. рис. 16) . Для модуляции по частоте изменяют напряжение на холодном катоде по закону , где - падение напряжения на транзисторе.

У ЧМШП, получаемых с помощью ЛОВ-М, имеются несомненные преимущества перед АМШП:

· изменением величины напряжения модулирующих шумов можно в широких пределах изменять ширину спектра помехового сигнала, ставя передатчик в режим создания прицельных или заградительных по частоте помех;

· при достаточно глубокой модуляции, когда ширина спектра помехового сигнала ?f_п хотя бы в 2…3 раза превосходит ширину спектра модулирующих шумов, в получаемом сигнале отсутствует несущее колебание и, следовательно, вся мощность автогенератора расходуется рационально - участвует в создании маскирующего эффекта в подавляемой РЛС.

Рис. 17. Модуляционная характеристика генератора ЧМШП на ЛОВ-М

Спектральная плотность ЧМШП по форме близка к плотности вероятности мгновенных значений .

Можно показать, что при эффективном значении индекса частотной модуляции m_ЧМ>>1 ширина спектра помехового сигнала ?f_п =2?F_Шm_ЧМ.

Эффективное значение индекса частотной модуляции m_ЧМ определяется как отношение эффективного значения отклонения частоты ?щ_эф от щ₀ к максимальной частоте модулирующего сигнала F_Шmax.

ЧМШП применяются преимущественно для создания заградительных помех, для которых ?f_п >>?f_пр. При выполнении этого условия частотно-модулированные колебания в приемнике превращаются в амплитудно-модулированные, а точнее в импульсы, случайные по моментам появления и амплитуде (рис. 18).



Рис. 18. Характер воздействия широкополосных ЧМШП на приемник импульсной РЛС

Здесь К_прм(f) - амплитудно-частотная характеристика приемника; f_п - центральная частота спектра помех; - напряжение на выходе линейной части приемника подавляемой РЛС; f_п(t) - закон изменения текущей частоты помех.

Так как частота помехового сигнала случайна, то моменты ее попадания в полосу приемника ?f_прм также случайны.

К настоящему времени хорошо разработаны и находят применение устройства защиты РЛС от импульсных помех, именуемые схемами ШОУ, что расшифровывается как выполнение входных цепей приемника в виде последовательно соединенных широкополосного усилителя (Ш), двустороннего симметричного ограничителя (О) и узкополосного усилителя (У). Эффективность схем ШОУ тем выше, чем больше отношение k_ш = ?f_п/?F_ш.

2.5 Принцип действия передатчика хаотических импульсных радиопомех

Хаотической импульсной помехой (ХИП) принято называть сигнал, представляющий собой последовательность радиоимпульсов, у которых длительность ?_и, амплитуда U_m, период следования T_п являются случайными величинами, а несущая частота f₀=const. Однако энергетически выгодно применять помехи, у которых U_m=const. В этом случае генераторное (усилительное) устройство передатчика используется в наивыгоднейшем режиме, а в СВЧ-диапазоне устраняется неизбежная паразитная модуляция колебаний по текущей фазе.

Могут использоваться и ХИП, у которых только один параметр - является случайным, а ?_и =const.

Упрощенная структурная схема передатчика ХИП с использованием видеошумов [4] представлена на рис. 19,а. Графики, поясняющие работу устройства, приведены на рис. 19,б.

Видеошумы u_ш(t), усиленные до необходимой величины, подаются на пороговое формирующее устройство. В качестве последнего используют заторможенный мультивибратор или блокинг-генератор.

Для получения случайных импульсных последовательностей, у которых должны быть случайными как ?_и, так и T_п, применяется триггер Шмитта, который представляет собой пороговое устройство, срабатывающее при u_ш(t)? U₀, (U₀ - порог срабатывания) и возвращающееся в исходное положение, когда u_ш(t)<U₀. Полученная таким образом последовательность импульсов u_и(t) поступает в качестве модулирующего напряжения на генератор СВЧ-колебаний, в котором превращается в последовательность радиоимпульсов. Настройка автогенератора на частоту подавляемого РЭС противника f₀ осуществляется по сигналам разведприемника.

б

Рис. 19. Передатчик хаотических импульсных радиопомех:

a - структурная схема; б - графики напряжений Шмитта

на входе и выходе триггера

Если в качестве исходного используется гауссов шум с шириной спектра ДF_Ш, то среднее значение числа импульсов в секунду определяется по формуле

,

где - среднеквадратическое значение напряжения шумов.

2.6 Принцип действия передатчика многократных ответных импульсных радиопомех

Многократные импульсные ответные помехи (МОП) представляют собой серию из N радиоимпульсов, излучаемых передатчиком помех в ответ на прием каждого импульса подлежащей подавлению РЛС.

Помеховый сигнал на входе приемника подавляемой РЛС можно представить в виде, показанном на рис. 20,а [4].

а

б

Рис. 20. Многократная ответная импульсная помеха:

а - мгновенное значение сигналов на входе РЛС; б - вид экрана ИКО при воздействии МОП

На экране индикатора РЛС обзора такая помеха будет имитировать N целей (боевой порядок), следующих непосредственно за постановщиком помех. В ряде случаев удается имитировать ложные цели и на направлениях, существенно отличающихся от азимута цели (ц₁ и ц₂ на рис. 20,б). Такая возможность связана с тем, что сравнительно просто обеспечить существенное превышение мощности помехового сигнала над мощностью полезного сигнала, так как станция помех работает в импульсном режиме. В этом случае возможен прием помеховых сигналов по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны РЛС. Это означает, что на экране РЛС могут появиться несколько серий отметок ложных целей (на азимутах ц₁ и ц₂ на рис. 20,б). Использование этого вида помех не исключает возможности обнаружения их постановщика.

Нет принципиальных технических трудностей и для имитации отметок ложных целей, упреждающих на экране РЛС отметку постановщика помех. Для этого необходимо в передатчике помех осуществить задержку принятого сигнала РЛС на время Т_п-?₃< ?t < Т_п, где ?₃ -- время запаздывания зондирующего сигнала в РЛС. В этом случае импульсы МОП, генерируемые в ответ на первый импульс РЛС, "перейдут" в i + 1-й период повторения, а их отметки упредят отметку постановщика помех на экране индикатора подавляемой РЛС.

Упрощенная структурная схема станции МОП представлена на рис. 21. Сигналы подавляемой РЛС, принятые антенной станции помех, усиливаются в УРЧ, поступают на устройство длительного запоминания несущей частоты и на амплитудный детектор. В устройстве длительного запоминания несущей частоты принятый импульс превращается в непрерывное колебание, имеющее частоту, близкую к частоте РЛС f₀. Чтобы воздействие помех на РЛС было эффективным, разность частот | f₀- f_п| не должна превышать половины полосы пропускания приемника, т. е. в любом случае должно выполняться условие

| f₀- f_п|?f_прм/

Рис. 21. Структурная схема передатчика МОП

Если передатчик МОП не рассчитан на "перенос" импульсов помех из i-гo в i+1-й период повторения, вместо устройства длительного запоминания частоты может использоваться устройство кратковременного запоминания, что существенно упрощает схему передатчика.

В амплитудном детекторе выделяется огибающая сигнала РЛС. После усиления и задержки импульс, выделенный амплитудным детектором, запускает генератор пачки видеоимпульсов. Последний работает так, что на каждый поступающий на его вход импульс выдает серию из N импульсов.



3. Оценка эффективности РЭП

3.1 Эффективность функционирования РЭС в условиях РЭП

Создание радиопомех РЛС обнаружения, наведения и целеуказания (ОНЦ) исключает или затрудняет возможность обнаружения, определения координат и параметров движения целей, вносит ложную информацию о воздушной обстановке. В результате в последующем ухудшаются условия для решения задач по целераспределению, выработки команд целеуказания активным средствам ПВО и команд наведения на воздушные цели.

Показатели качества обнаружения воздушных целей РЛС ОНЦ, количество и достоверность информации, получаемой с их помощью, могут быть изменены маскировкой и имитацией сигналов, отраженных от целей.

Для маскировки применяют активные шумовые и пассивные радиопомехи.

На рис. 22, а покажем вид индикатора кругового обзора РЛС [4] при отсутствии радиопомех. При воздействии на РЛС ОНЦ активных шумовых радиопомех на экране индикатора кругового обзора (ИКО) образуются засвеченные секторы (рис. 22,б). В их пределах ухудшаются условия наблюдения отметок от целей - уменьшается вероятность правильного обнаружения целей (при фиксированном значении вероятности ложной тревоги) или увеличивается вероятность ложной тревоги (при фиксированном значении вероятности правильного обнаружения).

а б

Рис. 2 Вид экранов индикатора кругового обзора РЛС ОНЦ:

а - при отсутствии радиопомех; б - при наличии радиопомех

Интенсивность засветки индикатора в пределах сектора при воздействии радиопомех различна - она максимальна при совпадении максимума ДНА с направлением на источник радиопомех и спадает к его границам. Неодинаковы будут и условия наблюдения, и соответственно значения вероятностей обнаружения отметок целей, находящихся в пределах засвеченного сектора (при этом предполагается, что ЭПР всех целей равны). Иными словами, при создании радиопомех могут возникать такие условия обнаружения, при которых часть целей в пределах лоцируемого пространства не обнаруживается, другая часть обнаруживается, но с вероятностями меньше заданных. Наряду с отметками реальных целей на экране индикатора имеются и отметки, возникающие за счет воздействия помех. Некоторые из них будут фиксироваться как отметки истинных целей.

Для маскировки сигналов, отраженных от целей пассивными радиопомехами, применяют противорадиолокационные отражатели (ПРЛО). Они выбрасываются в больших количествах в тех областях пространства, где находятся прикрываемые (маскируемые) самолеты. Помеховые сигналы на входе РЛС возникают за счет отражения ее сигналов от протяженных искусственных образований. Воздействие этих сигналов приводит к образованию на экране РЛС ОНЦ засвеченных участков, в пределах которых, так же как и в пределах засвеченных секторов, ухудшаются условия наблюдения отметок целей.

Таким образом, подавление РЛС ОНЦ путем маскировки полезных сигналов помеховыми приводит к полной или частичной потере информации о воздушных целях, что сказывается на эффективности применения активных средств ПВО.

Имитация сигналов, отраженных от целей, при подавлении РЛС ОНЦ может быть осуществлена созданием активных (однократных и многократных) ответных радиопомех и пассивных радиопомех. Пассивные радиопомехи создаются сбрасыванием с самолетов через дискретные промежутки времени ПРЛО и ложных целей.

При воздействии имитирующих помех на экране ИКО РЛС помимо отметок истинных целей наблюдаются ложные отметки целей (рис. 23).

Общее количество отметок может существенно превышать количество реальных целей. Если параметры помеховых сигналов при этом близки к параметрам полезных сигналов, то возможность распознавания истинных целей затрудняется или исключается. Целераспределение может быть произведено по ложным отметкам - несуществующим целям.

Радиоэлектронное подавление командных радиолиний управления (КРУ) и РЭС связи приводит к искажению команд наведения на воздушные цели, передаваемых с наземного (воздушного) пункта управления, или созданию ложных команд наведения.

Рис. 23. Вид экрана индикатора кругового обзора РЛС ОНЦ при воздействии имитирующих помех

Искажение команд наведения возможно путем маскировки сигналов. Для маскировки применяют активные непрерывные шумовые помехи или хаотические импульсные помехи. Ложные команды создаются имитацией сигналов. Параметры помеховых сигналов при этом отличаются от параметров сигналов, несущих информацию об истинных значениях передаваемых команд. В результате подавления КРУ и РЭС связи может быть увеличена ошибка или снижена вероятность наведения на воздушную цель.

В состав РЭС управления оружием входят системы автоматического сопровождения цели (АСЦ) по дальности, направлению и скорости. Характерными режимами работы этих систем являются режимы поиска и автоматического сопровождения по указанным параметрам. Поэтому при организации РЭП решаются различные по конечному эффекту воздействия задачи [4].

1. Создание помех может воспрепятствовать переходу РЭС из режима поиска цели в режим ее автоматического сопровождения по одному или одновременно по нескольким параметрам.

Воздействие помех может внести ошибку или осуществить срыв АСЦ по дальности и скорости.

3. Воздействие помех может перевести РЭС из режима сопровождения истинной цели на сопровождение ложного (помехового) сигнала или ложной цели (ловушки).

Отмеченные эффекты достигаются маскировкой сигналов, отраженных от цели помеховыми сигналами, имитацией таких сигналов с внесением ложной информации в значения их параметров, увеличением количества пространственно разнесенных источников помех, применением ловушек и т.д.

Для РЭП РЭС управления оружием применяются различные виды имитирующих радиопомех. По своей структуре радиопомехи близки к структуре сигналов, отраженных от цели. Они отличаются только значениями отдельных параметров (например, амплитудой, частотой и фазой огибающей, временным положением, приращением частоты, поляризацией) или законом изменения параметров во времени. Ввиду близости по структуре полезного и помехового сигналов реакция РЭС (конечный эффект) на воздействие помех аналогична реакции на полезный сигнал (при условии, что действует только помеховый сигнал).

В качестве примеров имитирующих радиопомех РЭС с АСЦ можно указать на радиопомехи, прицельные по частоте сканирования (системам АСН с коническим сканированием), помехи, уводящие по дальности или скорости, системам АСД или АСС. Так как параметры помехового сигнала отличаются от параметров полезного сигнала, то в системе АСЦ возникают ошибки сопровождения цели. Если при этом параметр изменяется во времени (увод по дальности или скорости), то и величина ошибки будет изменяться во времени.

Специфичны виды и способы создания радиопомех моноимпульсным системам АСН. Для их подавления помеховые сигналы необходимо излучать как минимум из двух точек пространства. В качестве помеховых сигналов используют непрерывные (некогерентные, когерентные) или прерывистые (мерцающие) сигналы. При воздействии помех из двух точек в системе АСН могут возникать ошибки сопровождения источников излучения или может увеличиваться угол, при котором наступает разрешение одного из источников по угловым координатам.

Из краткого качественного рассмотрения примеров создания радиопомех РЭС можно заключить, что подавление РЭС снижает эффективность функционирования систем управления войсками и оружием, эффективность применения активных средств и управляемого оружия.

На эффективность РЭП влияют многие факторы: знание структуры построения, принципов и специфики функционирования РЭС, выбор вида помехового сигнала, средств создания помех и способа их применения, достоверность оценки возможных контрмер противника и т. д. Добавим к этому то, что степень влияния эффективности функционирования РЭС различного назначения на конечный результат неодинакова. Другими словами, определить и использовать какой-то единый обобщенный критерий для оценки эффективности РЭП не представляется возможным. Известны и нашли применение частные критерии: оперативно-тактические, энергетические и информационные.



3.2 Оперативно-тактические критерии эффективности РЭП

Оперативно-тактические критерии позволяют оценить эффективность мероприятий по организации РЭП (эффективность используемых средств и способов РЭП).

Эффективность выполнения поставленной боевой задачи можно оценить вероятностью [4]. Уничтожение объекта возможно при условии совместного наступления трех событий: преодоления системы ПВО противника самолетами ударной группы, обнаружения цели и ее поражения. Можно считать, что эти события независимы и возникают последовательно друг за другом. Тогда вероятность выполнения боевой задачи можно определить по формуле

,

где - вероятности преодоления ПВО, обнаружения цели и ее поражения соответственно.

Эти вероятности зависят от эффективности функционирования РЭС систем управления ПВО противника и бортовых РЭС самолетов.

Организуя РЭП РЭС систем управления ПВО, можно существенно снизить эффективность их функционирования и тем самым повысить вероятность

до значения . Эффективность РЭП РЭС систем управления ПВО можно оценить при этом отношением

Если мероприятия по РЭП РЭС увеличивают , то их проведение является обоснованным. Чем больше , тем выше эффективность принимаемых мер по РЭП. В этом случае вероятность тоже увеличивается.

Следовательно, в качестве общего оперативно-тактического критерия эффективности РЭП следует использовать вероятность и коэффициент эффективности .

Самолетам оказывают противодействие активные средства (ИП, ЗРК и ЗСК). Зоны их действия обычно разграничены и не пересекаются или пересекаются частично. Поэтому можно считать, что события сбития самолетов указанными средствами являются независимыми. Вероятность преодоления системы ПВО каждым самолетом ударной группы равна

,

где - вероятности сбития самолета ударной группы ИП, ЗРК и ЗСК.

Вероятность сбития отдельного самолета группы любым оружием ПВО при независимых пусках УР (выстрелах ЗСК) рассчитывается по формуле

.

Здесь - вероятность сбития самолета при одной атаке ИП (пуске одной ЗУР, одном выстреле ЗСК); n - среднее число атак ИП по одному самолету (среднее число пусков ЗУР или выстрелов ЗСК).

Повышением эффективности применения средств и способов РЭП достигается уменьшение числа атак и снижение вероятности сбития самолета соответственно до величин n_рэп и .

Вероятность сбития и определяется в результате проведения теоретических расчетов и моделирования, которые проверяются при испытаниях в полигонных условиях, приближенных к реальной боевой обстановке.

Величины n_рэп и количественно характеризуют эффективность РЭП РЭС систем управления ПВО и могут быть использованы для оценки вероятностей и . Уменьшение n до n_рэп и до снижает вероятность и в конечном счете увеличивает вероятность .

Для сравнительной оценки эффективности различных способов применения средств РЭП могут служить также величины:

? =/, ?= n_рэп /n.

Чем меньше значения ? и ?, тем эффективнее мероприятия по РЭП РЭС систем управления ПВО.

Уменьшение числа n атак (пусков УР, выстрелов ЗСК) до величины n_рэп достигается умелой организацией преодоления системы ПВО, применением ложных целей, уменьшением дальности действия РЛС АСЦ.

Число атак n по самолету ударной группы можно уменьшить до n_рэп применением т ложных целей. При этом коэффициент ? становится равным величине

?= n_рэп /n =1/(m+1).

РЭП РЛС систем управления оружием (РЛС АСЦ) в зависимости от вида применяемых радиопомех приводит к различным последствиям. Одним из них является недопущение захвата цели и перевода РЛС в режим автосопровождения. Следствием такого воздействия радиопомех на РЛС АСЦ является уменьшение дальности ее действия до величины .

Во всех рассмотренных случаях коэффициент ? характеризует степень уменьшения числа атак ИП (пусков УР, выстрелов ЗСК) при РЭП РЭС систем управления ПВО и может быть использован в качестве одного из частных критериев оценки эффективности РЭП. В качестве частных критериев оценки эффективности РЭП могут также использоваться , ? и др.

Уменьшение вероятности достигается созданием радиопомех различного вида РЛС АСЦ систем управления оружием ПВО. Например, при воздействии радиопомех на систему АСН появляются ошибки в определении угловых координат цели и их производных. Вследствие этого увеличивается конечный промах ракеты или снаряда. Конечный промах Д определяется минимальным расстоянием между целью и ракетой (снарядом), при котором ракета проходит мимо цели, не поразив ее. При этом вероятность уменьшается до величины . В частном случае эта вероятность в результате воздействия помех может стать равной нулю.

Ошибки в измерении координат цели и их производных, возникающие при действии радиопомех, могут быть случайными и систематическими. Систематическая ошибка в измерении угловой координаты цели может быть создана, например, переводом РЛС АСЦ на сопровождение буксируемой радиолокационной ловушки (рис. 24). В этом случае при выстреле из точки 1 снаряд будет направлен в точку 2 с угловой ошибкой Д? и пройдет мимо цели с конечным промахом Д. Ошибка Д? и промах Д определяются расстоянием (базой) L между целью и ловушкой и соотношением ЭПР цели и ловушки. Величина промаха будет расти при увеличении ЭПР ловушки.

Рис. 24. Перевод РЛС АСЦ на сопровождение буксируемой радиолокационной ловушки

При Д?r_пор (r_пор - радиус поражения боевой части ракеты) вероятность поражения цели принимают равной нулю. При Д<r_пор . В данном случае в качестве частного критерия эффективности может быть принята величина конечного промаха Д.

Ошибка Д? и конечный промах Д являются в общем случае случайными величинами. Для приближенных расчетов закон распределения величины конечного промаха Д считают гауссовым:

.

Здесь a -математическое ожидание промаха; - дисперсия промаха.

Закон распределения промахов графически изображен на рис. 25. Заштрихованная под кривой область определяет вероятность поражения цели при возникновении в РЛС АСЦ систематических и случайных ошибок в определении координат и параметров движения цели.

Рис. 25. Закон распределения промахов

Вероятность сбития самолета может быть определена по формуле

,

где

- интеграл вероятности.

Из этой формулы следует, что зависит не только от r_пор, но и от а и у_Д.

При отсутствии радиопомех конечный промах ракеты (снаряда) определяется так называемым техническим рассеянием, возникающим вследствие различных факторов (асимметрии ракеты, неравномерности тяги двигателя, различия скоростей полета снарядов, неоднородности атмосферы и др.). Математическое ожидание промаха в этом случае равно нулю, а его дисперсия - достаточно малая величина. Вероятность поражения цели



близка к единице (рис. 26).

Рис. 26. Изменение вероятности поражения цели при возникновении случайных ошибок

Создание радиопомех РЛС АСЦ приводит к возникновению систематической и случайной ошибок в определении координат и параметров движения цели и увеличению дисперсии промахов.