Основы теории радиоэлектронного подавления

При отсутствии систематических ошибок вероятность сбития цели можно определить по формуле

.



Если при воздействии радиопомех создается только систематическая ошибка а, то вероятность поражения цели , так же как в предыдущем случае, уменьшается (рис. 27).

Изменение вероятности поражения цели при возникновении случайных и систематических ошибок показано на рис. 28.

Таким образом, чем меньше вероятность , тем эффективнее принятые меры РЭП и выше вероятности преодоления системы ПВО и выполнения боевой задачи самолетами ударной группы.

3.3 Энергетический критерии эффективности РЭП

Создание радиопомех РЭС системам управления войсками и оружием ПВО связано с "расходованием" электромагнитной энергии или средств создания пассивных помех (например, противорадиолокационных отражателей). Эффективность расходования электромагнитной энергии или средств создания пассивных помех оценивается с помощью энергетических критериев. Важнейшим из них является так называемый коэффициент подавления.

Рис. 27. Изменение вероятности поражения цели при возникновении систематических ошибок



Рис. 28. Изменение вероятности поражения цели при возникновении случайных и систематических ошибок

Для РЭП РЭС необходимо обеспечить на входе его приемника определенное отношение мощности помехового сигнала к мощности полезного сигнала . При оценке эффективности РЭП отношение принято определять на входе или выходе линейной части приемника. Минимально необходимое отношение мощности помехового сигнала к мощности полезного сигнала на входе (выходе) линейной части приемника в пределах его полосы пропускания, при котором обеспечивается подавление РЭС с заданной эффективностью, называют коэффициентом подавления

.

Значение зависит от вида радиопомех, структуры построения приемоиндикаторного тракта РЛС и заданного эффекта подавления (ущерба). Например, при подавлении РЛС ОНЦ непрерывными шумовыми помехами () ухудшение качества обнаружения целей можно оценить по характеристикам обнаружения.

Уменьшение отношения по энергии сигнал/помеха на входе приемника под воздействием радиопомех приводит к изменению значений вероятностей правильного обнаружения W_ПО и ложной тревоги W_ЛТ, при котором решение задачи целераспределения и наведения ИП становится невозможным. РЛС считается подавленной, если W_ПО ?0.5 и W_ЛТ ?10^-5.

Знание величины позволяет осуществить РЭП РЛС с наименьшими энергетическими затратами, определить границы и размеры области пространства (зоны подавления), прикрытой радиопомехами (k?) , и зоны неподавления (k<).

Величина при подавлении однотипных РЛС различными видами радиопомех является разной. Эффективность воздействия радиопомех на данную РЛС тем выше, чем меньше величина . По величине можно оценить также помехоустойчивость подавляемого РЭС. Она тем выше, чем больше .

С помощью можно оценить также эффективность тех или иных мер повышения помехоустойчивости РЭС. Эффективность этих мер можно оценить отношением B=k_П'/ k_П.

Здесь - коэффициент подавления РЭС с принятыми мерами (устройствами) помехоустойчивости; - величина без использования таких мер.

3.4 Информационный критерий эффективности РЭП

Информационные критерии применяются для оценки качества помеховых сигналов и соответственно величины информационного ущерба, наносимого противнику.

РЭП РЭС системы управления ПВО в конечном счете преследует цель лишить противника полностью или частично информации. Для оценки РЭП в этом случае используют информационные критерии [4]. Одним из них является критерий информационного ущерба.

Применительно к подавлению РЛС ОНЦ этот критерий определяется как отношение объема пространства, прикрытого от наблюдения помехами, к общему объему пространства, в котором РЛС ведет наблюдение целей.

Качество маскирующих и имитирующих радиопомех с использованием информационного критерия оценивается их энтропией. Эти помехи должны исключить возможность обнаружения полезного сигнала с вероятностью, превышающей заданное значение, при некоторых ограничивающих условиях.

Непременным условием правильного функционирования систем информационного обеспечения является априорное знание полезного сигнала. Степень этого знания может быть различной, но некоторые из них, о законах распределения частных видов сигналов, принадлежащих данному классу, должны быть известны всегда. В противном случае обеспечить работоспособность информационной системы невозможно.

Идеальные (маскирующие и имитирующие) помеховые сигналы должны создать такие условия, при которых апостериори, после приема полезного сигнала, априорная неопределенность в системе информационного обеспечения сохранилась бы. Для обеспечения этих условий помеховые сигналы должны содержать элемент неопределенности.

Введение энтропии, как характеристики качества помеховых сигналов, позволяет оценивать потенциальные возможности помех безотносительно к конкретным способам их обработки в подавляемых устройствах [20].

Пусть сигналы x_i (i=1,2,…M) могут независимо передаваться без помех с априорными вероятностями P_i

Мера количества информации вводится исходя из следующих требований:

· она должна обладать свойствами аддитивности (количество информации в независимых сообщениях должно суммироваться);

· она определяется лишь степенью неопределенности события (если достоверен только один ого исход - она нулевая).

Этим условиям удовлетворяет логарифмическая мера информации

Если события равновероятны, то

,

Усредняя I_i по возможным i, вводят среднее количество передаваемой информации I_ср, приходящееся на сообщение, то есть меру неопределенности ансамбля сообщений x (энтропию) [27]:

или

Если достоверно передается только одно сообщение, то таким образом .

Если то

То есть, чем больше М, тем больше неопределенность i-го события.

С учетом особенностей цифровой техники предпочитают брать log

За единицу информации принимают бит - количество информации, содержащееся в сообщении об одном из двух равновероятных исходно событий

.

Для непрерывно распределенных с плотностью вероятности w(x) случайных величин энтропия определяется как

или

Таким образом, качество маскирующих и имитирующих радиопомех можно оценить с помощью энтропии.

Многомерная энтропия непрерывной маскирующей помехи определяется выражением

,



где - многомерная плотность вероятности мгновенных значений помехового сигнала.

Если помеховый сигнал представляет собой стационарный случайный процесс длительностью и шириной спектра , то его многомерная энтропия [20]

,

где - одномерная энтропия.

Наилучшими маскирующими свойствами среди помех при заданной мощности обладает "белый" шум (стационарный гауссов шум с равномерной спектральной плотностью). Одномерная энтропия такого шума равна

,

где - мощность "белого" шума.

Многомерная энтропия помехового сигнала с равномерной спектральной плотностью, ограниченной полосой ?f_П, на интервале наблюдения

.

Качество других видов маскирующих помех по сравнению с "белым" шумом определяется отношением

; иногда

,

где - мощность помехи, энтропия которой равна энтропии "белого" шума .

При рассмотрении имитирующих помех в качестве информационного критерия используется разность условных энтропии случайных параметров полезного сигнала и помехи. Наилучший эффект имитации будет в случаях, если эта разность равна нулю.

Условная энтропия учитывает возможную связь элементов событий, например одного и того же сигнала.

Пусть передано сообщение x_i (i=1,2,…M), а условная вероятность передачи сообщения y_j (j=1,2,…M) равна P(y_j / x_i ) , тогда условная энтропия равна

Усредняем по всем x_i

.

Энтропия совмещения событий передач двух взаимосвязанных в общем случае сообщений определяется выражением

.



4. Уравнение радиоэлектронного подавления для активной радиолокации

4.1 Общее уравнения РЭП

Уравнением РЭП называется соотношение, связывающее между собой параметры и координаты подавляемой РЛС, передатчика радиопомех и прикрываемой помехами цели [4]. Уравнение РЭП позволяет определить величину k как отношение мощности помехового сигнала к мощности полезного сигнала на входе приемника подавляемой РЛС в пределах полосы пропускания его линейной части:

. (1)

При сравнении k с величиной коэффициента подавления k_П можно определить размеры зон подавления (k ? k_П) или неподавления (k ? k_П) РЛС, границы этих зон (k = k_П), а также решить ряд других задач. Под зоной подавления понимается область пространства, в пределах которой РЛС подавлена с заданной эффективностью. Применительно к РЛС обнаружения это означает, что обеспечивается снижение вероятности правильного обнаружения W_по до заданного уровня (при W_лт = const).

При выводе уравнения РЭП рассматривают общий случай, когда постановщик помех и прикрываемая цель разнесены в пространстве. Подавляемая РЛС и передатчик помех находятся в точках О и П (рис. 29). Прикрываемая цель Ц и передатчик радиопомех П находятся от РЛС на расстояниях D_Ц и D_П и имеют угловые координаты соответственно для цели и для помехи .

Рис. 29. Создание радиопомех из зон

Влияние отражений от земной поверхности и поглощение энергии ЭМВ в атмосфере не учитываются.

Тактико-технические данные о подавляемой РЛС, передатчике радиопомех и прикрываемой цели считаются известными. При этом РЛС характеризуется следующими параметрами: мощностью передатчика Р_р, коэффициентом усиления антенны

,

где G_Р - его максимальное значение, а - нормированная функция диаграммы направленности антенны РЛС по мощности с полосой пропускания приемника ?f_прм.

Помеховый сигнал, излучаемый антенной передатчика радиопомех, имеет мощность Р_П, ширину спектра ?f_П и коэффициент поляризации ?_П. Последний учитывает степень совпадения поляризации ЭМВ помехового и полезного сигналов. Коэффициент усиления антенны передатчика помех

.

В этом выражении G_П - максимальное значение коэффициента усиления антенны радиоприемного устройства станции помех, а - нормированная функция диаграммы направленности антенны по мощности. Прикрываемая помехами цель имеет эффективную поверхность рассеяния ?_Ц.

Мощность полезного сигнала на входе приемника подавляемой РЛС определяется выражением:

,

Где

- плотность потока мощности полезного сигнала у антенны РЛС (уравнение радиолокации II-го рода);

-

эффективная площадь приемной антенны РЛС в направлении на цель (A_р -максимальное значение площади антенны, - значение нормированной функции диаграммы направленности антенны РЛС в направлении на цель). Таким образом:

.

Аналогично можно определить мощность помехового сигнала на входе приемника РЛС в пределах его полосы пропускания:

,

где плотность потока мощности помехового сигнала у антенны подавляемой РЛС:

;

где - эффективная площадь приемной антенны РЛС в направлении на постановщик помех, причем

.

В этом выражении - значение нормированной функции диаграммы направленности антенны РЛС в направлении на постановщик помех.

С учетом приведенных выражений мощность помехового сигнала

.

Уравнение РЭП, таким образом, имеет вид:

.



Это уравнение определяет отношение мощности помехового сигнала к мощности полезного сигнала на входе приемника подавляемой РЛС в зависимости от параметров РЛС, передатчика радиопомех, цели и их взаимного расположения.

Сравнение величины k, полученной в результате решения этого уравнения, с величиной коэффициента подавления k_П для данной конкретной ситуации применения средств РЭП и подавляемой РЛС позволяет оценить эффективность РЭП. Коэффициент подавления определяется аналитическим либо графическим путем.

Условие радиоэлектронного подавления для активной РЛС будет иметь вид [4]

.

Это неравенство может быть использовано для решения следующих задач:

· определения зоны подавления и ее границы;

· расчета величины эффективного сектора (), прикрытого помехами, при заданных параметрах передатчика помех и заданной минимальной дальности до него D_{П min} ;

· оценки энергетического потенциала передатчика помех, необходимого для подавления РЛС в пределах заданного сектора .

Решение этих задач позволяет проводить практические расчеты на применение средств РЭП.



4.2 Определение зоны подавления РЛС и ее границ из уравнения РЭП

При произвольном расположении в пространстве передатчика помех и прикрываемой цели зона подавления РЛС определяется из неравенства k ? k_П и описывается выражением [4]

.

Это выражение дает пространственное описание зоны подавления. Из этого выражения следует, что зона подавления и ее границы в значительной степени определяются диаграммой направленности подавляемой РЛС.

Упростим задачу определения зоны подавления и ее границ. Предположим, что передатчик помех имеет слабонаправленную антенну . Учтем также то, что для некоторых типов антенн (в частности, зеркальных) в небольшом диапазоне углов , а значение нормированной функции диаграммы направленности в горизонтальной плоскости в направлении на цель равно единице.

При этих предположениях выражение будет иметь вид

.

Рассмотрим зону подавления в одной плоскости, например, в азимутальной (горизонтальной). Для этого будем полагать, что значение нормированной функции диаграммы направленности антенны РЛС в угломестной плоскости в направлении на передатчик помех и на цель близко к единице. Обычно для расчетов эти значения выбирают в пределах 0,8…1,0.

Кроме того, будем оценивать угловое положение передатчика помех не абсолютным значением в полярной системе координат, а углом , характеризующим разницу в угловом положении цели и передатчика помех, то есть

.

С учетом сделанных замечаний выражение для зоны подавления РЛС в азимутальной плоскости примет вид

.

Отсюда граница зоны подавления для произвольного расположения прикрываемой цели и передатчика радиопомех по азимуту и дальности будет определяться выражением

.

Следует заметить, что зона подавления может быть получена для любого фиксированного значения дальности до передатчика помех D_П и для любого изменения угла . Наиболее простой для рассмотрения случай, когда передатчик радиопомех и прикрываемая цель находятся на одинаковой дальности D_П=D_Ц от подавляемой РЛС, но их угловое положение в плоскости азимута различается на (рис. 30).

Рис. 30. Зона подавления РЛС постановщика помех

Зона подавления для этого случая описывается более простым выражением

и соответственно граница зоны подавления будет определяться формулой

.

При изменении углового положения цели относительно передатчика помех на фиксированной дальности D_П=D_Ц минимальная дальность подавления изменяется и может быть построена зона подавления для этого случая (см. рис. 30).

Из рис.30 и последней формулы видно, что минимальная дальность подавления имеет наименьшее значение при =0, поскольку F_p(0)=1 (случай самоприкрытия). Объясняется это тем, что мощность полезного сигнала изменяется обратно пропорционально изменению , а мощность помехового сигнала - обратно пропорционально D_П. Отношение изменяется пропорционально при . На дальности D_Ц = D_{Ц min} величина k = k_П, поэтому при D_П ? D_{П min} величина k ? k_П и условия подавления РЛС выполняются. Если же D_П < D_{П min}, то k < k_П и РЛС не подавлена.

При ?0 значение нормированной функции диаграммы направленности антенны становится меньше единицы, и минимальная дальность подавления D_{Ц min} увеличивается, а эффективность РЭП снижается с увеличением . Если цель находится в точке 1 азимутальной плоскости, то k > k_П, если в точке 2, то k = k_П. В обоих случаях РЛС подавлена. Если же цель выходит за пределы зоны подавления (например, в точку 3), то условия подавления РЛС уже не выполняются, поскольку k < k_П.

Эффективность РЭП снижается не только при увеличении , но и при увеличении энергетического потенциала РЛС, при увеличении эффективной площади рассеяния цели и увеличении дальности до передатчика помех. Во всех этих случаях при прочих равных условиях возрастает дальность подавления D_{Ц min}.

Увеличение мощности передатчика помех , а если это невозможно (например, для бортовых условий), то увеличение энергетического потенциала (за счет применения направленных антенн) приводит к уменьшению D_{Ц min} и соответственно к повышению эффективности РЭП.



5. Активные радиопомехи радиолокационным системам обнаружения целей

5.1 Краткая характеристика радиолокационных систем обнаружения воздушных целей

РЛС обнаружения, наведения и целеуказания (ОНЦ) [4] осуществляет обнаружение воздушных целей, определение их координат и параметров движения. Полученная информация используется при решении задач целераспределения, выработке команд целеуказания ЗРК и ЗСК и наведения ИП на воздушные цели. Указанные РЛС работают в режиме кругового или секторного обзора воздушного пространства. При работе РЛС диаграмма направленности антенны (ДНА) периодически перемещается в пределах заданной зоны обзора пространства. Данные о целях поступают дискретно через интервал времени T_обз, определяемый скоростью вращения антенны. Обнаружение цели, определение ее координат осуществляются на проходе в момент нахождения ее в пределах ДНА в течение времени облучения T_обз.

Измеряемыми координатами целей, как правило, являются дальность от РЛС до цели R_ц и угловые координаты - азимут ц_ц и угол места и_ц. Могут измеряться также высота полета целей h и радиальная составляющая скорости их движения v_p.

В зависимости от числа измеряемых координат РЛС ОНЦ делятся:

· на однокоординатные (радиолокационные дальномеры, высотомеры),

· двухкоординатные,

· трехкоординатные.

Совокупность двух или нескольких РЛС ОНЦ, информация от которых объединяется и подвергается совместной обработке, называется радиолокационным постом. Два или более радиолокационных поста, обменивающихся информацией, образуют радиолокационную систему (сеть) обнаружения воздушных целей.

В радиолокационных системах информация о целях извлекается из принимаемых от цели радиосигналов. Наибольшее применение получили активные РЛС. В этих РЛС радиосигналы образуются в результате облучения целей зондирующими сигналами и приема от них отраженных сигналов.

В зависимости от вида зондирующих (облучающих цели) сигналов РЛС ОНЦ делятся:

· на импульсные,

· непрерывные,

· квазинепрерывные.

В импульсных РЛС излучается периодическая последовательность немодулированных или модулированных радиоимпульсов длительностью ф_и и периодом следования Т_и. В первом случае РЛС называются РЛС с простыми импульсными сигналами. Импульсные РЛС, в которых используются радиоимпульсы с внутренней (частотной или фазовой) модуляцией, называются РЛС со сложными сигналами.

Отношение

,

называемое скважностью импульсной последовательности, у импульсных РЛС равно сотням и тысячам.

К достоинствам импульсных РЛС с большой скважностью относятся:

· простота одновременного измерения дальности до нескольких целей и их высокое разрешение по дальности,

· временная развязка излучаемых и принимаемых сигналов, что позволяет использовать в РЛС для передачи и приема одну антенну.

В РЛС с непрерывным излучением (рис.9.1, [3]) излучаются незатухающие колебания. Эти колебания могут быть гармоническими, модулированными (например, частотно-модулированными), шумоподобными и др. Их достоинствами являются:

· возможность обнаруживать цели путем селекции отраженных сигналов по частоте Доплера;

· однозначно измерять дальность и радиальную скорость полета относительно РЛС при сравнительно малой мощности излучения.

Рис. 31. Упрощённая структурная схема непрерывной РЛС ( f_д - частота Доплера)

РЛС с квазинепрерывным излучением (когерентные импульсные РЛС с малой скважностью Q=5…30) обладают хорошей разрешающей способностью по дальности и скорости.

Излучаемые сигналы импульсных РЛС могут быть когерентными или некогерентными. У некогерентной последовательности начальные фазы от импульса к импульсу изменяются по случайному закону. Начальная фаза радиоимпульсов когерентной последовательности изменяется по детерминированному закону или является постоянной величиной.

По виду обработки отраженных от цели сигналов РЛС также делятся на некогерентные и когерентные. В некогерентных импульсных РЛС при обработке отраженного сигнала фаза высокочастотных импульсов не используется. Для получения информации о координатах цели используется огибающая отраженных радиоимпульсов. При когерентной обработке принятых импульсных радиосигналов используется дополнительная информация, заключенная в их фазе. Когерентная обработка позволяет улучшить характеристики обнаружения РЛС, обнаружить движущиеся цели на фоне пассивных радиопомех.

РЛС с непрерывным и квазинепрерывным излучением, а также импульсные РЛС со сложными сигналами являются когерентными. Импульсные РЛС с большой скважностью могут быть некогерентными и когерентными.

В радиолокационных системах обнаружения местоположение цели в пространстве определяется как точка пересечения линий или поверхностей положения, соответствующих измеренным значениям координат. При этом могут использоваться дальномерный, угломерный, угломерно-дальномерный, разностно-дальномерный, суммарно-дальномерный, угломерно-разностно-дальномерный методы определения местоположения лоцируемого объекта.

В радиолокационных системах информация о координатах и параметрах движения целей [4] извлекается из принятых сигналов в результате первичной, вторичной, третичной обработки.

1. Первичная обработка сигналов осуществляется за один период обзора T_обз (время облучения цели T_обл) РЛС. При этом предполагается, что за время наблюдения T_н= T_обз координаты цели не меняются.

2. При вторичной обработке получение информации осуществляется за несколько периодов обзора РЛС. При этом представляется возможность определить траекторию полета цели.

3. Третичная обработка выполняется совместной обработкой данных, получаемых несколькими совмещенными или разнесенными РЛС. В этом случае удается определить местоположение источников помех.

Наиболее широкое применение нашли некогерентные и когерентные импульсные РЛС с большой скважностью. Используются также РЛС с квазинепрерывным излучением и сложными импульсными и шумоподобными сигналами.

Основной задачей РЭП радиолокационных систем обнаружения целей являются скрытие (маскировка) самолетов, их количества, создание на экранах индикаторов РЛС ложных отметок целей. Воздействие радиопомех приводит к уменьшению количества получаемой противником информации об истинных целях, затруднению решения задач целераспределения, выработки команд наведения на воздушные цели, команд целеуказания .

Эффективность воздействия радиопомех зависит от структуры построения и принципа функционирования подавляемой РЛС, вида используемых помеховых сигналов, способа их создания, применяемых средств помехозащиты и др.

Для маскировки целей (могут применяться активные непрерывные шумовые радиопомехи, хаотические импульсные помехи (ХИП). При воздействии непрерывных шумовых помех и ХИП на экране ИКО РЛС появляются засвеченные секторы.

В качестве имитирующих активных помех для подавления РЛС используются импульсные однократные или многократные ответные помехи (МОП), представляющие собой один или несколько радиоимпульсов, излучаемых станцией помех, в ответ на каждый радиоимпульс РЛС, принятый ею.



5.2 Радиоэлектронное подавление активными радиопомехами некогерентных импульсных РЛС

В некогерентных импульсных РЛС ОНЦ при измерении дальности до цели используется импульсный метод, а при измерении угловых координат - амплитудный метод максимума. Принцип действия такой РЛС поясняется структурной схемой [4], изображенной на рис. 3

Рис. 32 Структурная схема некогерентной импульсной РЛС ОНЦ

В качестве зондирующих сигналов используется некогерентная последовательность радиоимпульсов, вырабатываемая генератором радиочастоты (ГРЧ). Длительность радиоимпульсов задается модулятором, а моменты излучения (период следования T_п) - синхронизатором. В режиме "Передача" последовательность зондирующих радиоимпульсов через антенный переключатель (АП) поступает в антенну и излучается в окружающее пространство.

Обзор пространства, например, в двухкоординатной РЛС осуществляется поворотом антенны, имеющей сравнительно узкую диаграмму направленности в азимутальной (горизонтальной) плоскости и широкую в угломестной (вертикальной) плоскости.

При круговом обзоре РЛС осуществляет однократный обзор пространства за время T_обз=1/n_А, где п_А - число оборотов антенны. При этом цель облучается в течение времени T_обл, которое определяется выражением

,

где - ширина ДНА в азимутальной плоскости (в градусах) по уровню половинной мощности.

За один оборот антенны на вход приемника поступает пачка из отраженных радиоимпульсов. Количество импульсов в пачке N_и равно

,

где F_п - частота следования импульсов.

Угловые перемещения антенны (максимума ДНА) в азимутальной плоскости передаются на индикатор РЛС. В результате формируется радиально-круговая развертка. Положение радиальной развертки на экране ИКО однозначно определяет направление максимума ДНА РЛС.

Отраженные от цели сигналы улавливаются антенной, проходят через тракт обработки и подаются на ИКО РЛС, на котором формируется отметка цели в виде дужки. Местоположение цели в азимутальной плоскости определяется удалением D_Ц отметки от центра ИКО и углом ц_Ц..

Полоса пропускания УПЧ согласуется с длительностью радиоимпульса ф_и и равна Дf=1/ ф_и. Однако из-за нестабильности несущей частоты колебаний передатчика, гетеродина приемника, эффекта Доплера полоса пропускания УПЧ выбирается в 1,5…2 раза шире.

Амплитудный детектор выделяет огибающие принятых радиоимпульсов. Полученная на выходе детектора за один период обзора пачка видеоимпульсов накапливается в накопителе (видеоинтеграторе, ВИ) и поступает на ИКО. При небольшом количестве импульсов в пачке их накопление может осуществляться люминофором электронно-лучевой трубки с яркостной отметкой ИКО.

Воздействие активных радиопомех на РЛС ОНЦ может приводить к подавлению сигналов целей в приемном тракте, маскировке полезных сигналов помеховыми, а также к имитации полезных сигналов.

Подавление полезных сигналов происходит в тех случаях, когда помеховый сигнал на входе приемника подавляемой РЛС во много раз превышает по амплитуде (мощности) полезный сигнал и вызывает перегрузку усилительных каскадов, имеющих ограниченный динамический диапазон. По мере увеличения интенсивного помехового сигнала результирующая амплитуда выходного сигнала изменяется. При большой интенсивности радиопомехи полезный сигнал будет ограничен и произойдет его полное подавление.

Перегрузка усилительных каскадов приемников РЛС возможна при создании импульсных и непрерывных шумовых радиопомех.

Пусть на РЛС действуют шумовые импульсные маскирующие радиопомехи при отсутствии перегрузок. Тогда u_С(t) и u_П(t) - аддитивная смесь полезного и помехового сигналов; u_П(t) - непрерывная шумовая помеха, установленная на цели или на постановщике помех), она подчиняется гауссовому закону распределения, а ее спектральная плотность N₀ постоянна.

Эффекты взаимодействия полезного и помехового сигналов поясняются графиками на рис. 33.

Рис. 33. Графики, поясняющие взаимодействие сигнала и шумовой помехи

Шумовая помеха за несколько периодов развертки образует на экране индикатора так называемую шумовую дорожку. Под действием помех сигнал оказывается размытым и создает на экране индикатора шумоподобные всплески.

Воздействие непрерывных шумовых радиопомех может приводить к подавлению полезных сигналов, принимаемых РЛС (импульсы помехи "гасят" полезные сигналы), а при их отсутствии (импульсы помехи превышают заданный порог U_пор) - к созданию ложных отметок (ложная тревога). В результате обнаружение цели осуществляется с ошибками.

Эффективность функционирования РЛС оценивается с помощью характеристик обнаружения (зависимости вероятности правильного обнаружения W_ПО от вероятности ложной тревоги W_ЛТ при заданном отношении удвоенной энергии полезного сигнала к спектральной плотности помехи q = 2E_c/N₀). Вид характеристик обнаружения показан на рис. 34. Каждому значению W_ПО соответствует вполне определенное значение W_ЛТ при q = const.

Рис. 34. Характеристики обнаружения РЛС

Накопление энергии некогерентной пачки импульсов можно осуществить с помощью видиоинтегратора, состоящего из усилителя, охваченного положительной обратной связью с задержкой на период следования Т_и (рис. 35).

Рис. 35. Структурная схема накопителя импульсов пачки

Среднее значение медленно флюктуирующих импульсов на входе ВИ равно . В момент окончания пачки мощность накопленных импульсов равна

,

где - сопротивление нагрузки, - мощность одного импульса на входе ВИ.

Помеховые выбросы, возникающие на выходе АД, в связи с некоррелированностью мгновенных значений суммируются по мощности.

Суммарная мощность помеховых импульсов к концу времени накопления равна

,

где - мощность на входе ВИ.

В результате отношение мощности полезного сигнала и мощности помехового сигнала на выходе ВИ равно

,

в раз меньше, чем на входе.

5.3 Радиоэлектронное подавление активными радиопомехами РЛС с внутриимпульсной модуляцией

РЛС с ЛЧМ-сигналом [4]. Недостаток импульсных РЛС с простыми сигналами - при фиксированном значении импульсной мощности передатчика увеличить дальность действия возможно только за счет увеличения длительности зондирующих радиосигналов. Но при этом ухудшается разрешающая способность РЛС по дальности (). Так, увеличение длительности радиоимпульсов с 1 до 100 мкс приводит к ухудшению разрешающей способности со 150 м до 15 км.

Выход - в использовании РЛС со сложными сигналами. Нашли применение импульсные РЛС с ЛЧМ и фазоманипулированными (фазокодоманипулированными - ФКМ) сигналами.

Общим для указанных РЛС является то, что принимаемые отраженные сигналы от целей подвергаются свертке (сжатию) и последующей когерентной обработке. Так как структуры сигналов различны, то и "процедуры" сжатия и обработки сигналов в этих РЛС имеют особенности. В связи с этим имеет особенности и радиоэлектронное подавление РЛС с ЛЧМ и РЛС с ФКМ - сигналами.

В РЛС с ЛЧМ-сигналами (рис. 36) излучается периодическая последовательность радиоимпульсов достаточно большой длительности с изменяющейся несущей частотой внутриимпульсных колебаний по закону при (рис. 37,а), где б - постоянная величина. Ширина спектра импульсного частотно-модулированного сигнала , (В - произведение ширины спектра сигнала на его длительность, называемое базой или коэффициентом сжатия, В>>1). При , , , , В=2·10^-7·10⁸=20.

Рис. 36. ЛЧМ-сигнал

а б

Рис. 37. Графики, поясняющие принцип действия РЛС с ЛЧМ-сигналами: а - закон изменения частоты радиоимпульсов; б - дисперсионная характеристика линии задержки устройства обработки сигналов

Обработка сигналов, отраженных от целей, осуществляется корреляционным приемником или согласованным фильтром.

В качестве согласованного фильтра используется дисперсионная линия задержки, время запаздывания сигнала в которой зависит от частоты радиоимпульса (рис. 37, б).

Более низкие мгновенные частоты радиоимпульса задерживаются на большее время по сравнению с высокими частотами. Вследствие этого на выходе дисперсионной линии задержки получается укороченный (сжатый) радиоимпульс, длительность которого

-

в B раз меньше длительности излучаемого радиосигнала.

Если дисперсионная линия задержки не имеет потерь, то справедливо равенство

.

В этом случае

.

Для радиоэлектронного подавления РЛС с ЛЧМ могут применяться активные маскирующие или имитирующие радиопомехи.

В качестве маскирующих используются непрерывные шумовые радиопомехи. Для этого вида помехового сигнала характерно то, что изменения его мгновенной частоты происходят по случайному закону. Вследствие этого мощность помехового сигнала при прохождении через дисперсионную линию задержки не изменяется. А так как мощность полезного сигнала увеличивается в В раз, то коэффициент подавления РЛС с ЛЧМ - сигналами при использовании непрерывных шумовых помех в В раз больше, чем при подавлении импульсных РЛС с простыми сигналами (при равенстве импульсных мощностей передатчиков РЛС).

Имитирующие радиопомехи могут создаваться путем ретрансляции (переизлучения) сигналов РЛС с задержкой по времени, либо путем смещения частоты несущей, либо путем дополнительной модуляции сигналов по амплитуде или частоте. Рассмотрим прохождение таких радиопомех через приемник РЛС.

Радиопомеха, создаваемая путем переизлучения сигналов РЛС с задержкой по времени, проходит через дисперсионную линию задержки точно так же, как и полезный сигнал. Если передатчик помех расположен на прикрываемом самолете (цели), то вначале на выходе дисперсионной линии задержки появится сжатый по времени отраженный сигнал, а затем помеховый сигнал. Временная задержка помехового сигнала определяется временем задержки полезного сигнала в ретрансляторе.

Изменение несущей частоты помехового сигнала в ретрансляторе на величину F_р в диапазоне возможных доплеровских частот приводит к тому, что помеховый сигнал эквивалентен отраженному с доплеровской частотой F_д= F_р.

При увеличении или уменьшении частоты несущей в ретрансляторе помеховый сигнал на выходе дисперсионной линии задержки может оказаться слева или справа от полезного сигнала на временной оси. Это обстоятельство позволяет создавать опережающую ответную помеху по дальности.

Модуляция амплитуды ретранслированного сигнала шумом приводит к образованию большого числа ложных отметок. Воздействие такой помехи эквивалентно воздействию "белого" шума.

При синхронизации модулирующего напряжения ретранслятора сигналом РЛС такая помеха является более эффективной, чем "белый" шум, так как оказывается коррелированной с сигналом.

3.5. В РЛС с ФКМ-сигналами [4] излучается последовательность радиоимпульсов (рис. 38,в) длительностью , каждый из которых состоит из В подимпульсов длительностью . Начальная фаза этих импульсов изменяется по вполне определенному закону (коду) и принимает одно из двух значений - 0 или р.

Рис. 38. К пояснению принципа действия РЛС с ФКМ-сигналами: мгновенные значения модулирующего сигнала (а), несущего колебания (б), ФКМ-радиосигнала (в)

Закон изменения фазы несущего колебания показан на рис. 38,а. В приемнике с помощью дешифратора принятые отраженные импульсные сигналы сжимаются по времени (длительности) в В раз.

Возможная структурная схема дешифратора изображена на рис. 39. Дешифратор представляет собой линию задержки с отводами, отстоящими друг от друга на длительность . На каждом выходе линии задержки помещается фазовращатель, который может изменить фазу на р. Выходные сигналы фазовращателей суммируются. Полученный результат фильтруется в полосе . Код фазовращателей устанавливается обратным коду излучаемого сигнала. В момент времени, когда сложный импульс заполнит линию задержки, его элементарные сигналы (подимпульсы) на входе сумматора оказываются в фазе. Следовательно, амплитуда сигнала на выходе сумматора , где - амплитуда импульса на входе линии задержки. Мощность выброса шумовых помех на интервале времени некоррелирована. Поэтому

.

Рис. 39. Устройство сжатия сигналов РЛС с ФКМ-сигналами

Следовательно, в рассматриваемой РЛС по отношению к РЛС с простым сигналом обеспечивается выигрыш в отношении сигнал/помеха по мощности в В раз, что потребует для ее подавления увеличения мощности передатчика радиопомех также в В раз. Коэффициент сжатия В в современных РЛС составляет сотни…тысячи. Коэффициент подавления рассмотренной РЛС при действии шумовых радиопомех, так же как в РЛС с ЛЧМ-сигналами, в В раз выше, чем в импульсных РЛС с простыми сигналами.

Для подавления РЛС с ФКМ-сигналами кроме активных шумовых радиопомех также могут использоваться имитирующие радиопомехи, которые получают путем ретрансляции сигналов подавляемой РЛС.

По аналогии с РЛС, использующей ЛЧМ-сигналы, в РЛС с ФКМ-сигналами можно ожидать эффективное действие радиопомех, создаваемых путем изменения фазы ретранслированного сигнала. Радиопомеха, создаваемая путем задержки ФКМ-сигнала по времени, будет проходить через дешифратор и создавать на выходе помеховый импульс, задержанный от отраженного сигнала на время задержки в ретрансляторе. Изменение частоты несущей на величину F_P, значительно большую максимальной доплеровской частоты целей, приводит к созданию помех каналу измерения дальности. Смещенные по частоте помеховые сигналы создают помеховые импульсы, возникающие раньше и позже полезного сигнала.

Передатчик ложных целей для РЛС с ЛЧМ. Цель имитационных помех - создать ложную информацию путем внутриимпульсной амплитудной и частотной модуляции ретранслируемого сигнала, приводящего к созданию ложных целей по дальности. Подверженность РЛС с ЛЧМ воздействию ретрансляционной помехи связана с тем, что отраженный сигнал от цели должен приниматься до того момента, как сформировался сжатый импульс. Добавление в ретранслируемый сигнал, например, частотного сдвига вызывает появление ложного импульса до или после отраженного (сжатого) от цели. Достижимый при этом диапазон ошибок по дальности ограничивается пространственной протяженностью рабочего импульса РЛС (до сжатия).

Радиолокационный сигнал РЛС с ЛЧМ принимается приемной антенной передатчика, усиливается в СВЧ-усилителе, модулируется в нем по фазе с целью обеспечения сдвига по частоте на определенную величину, проходит амплитудный модулятор, где превращается из широкого импульса в серию узких импульсов, усиливается в усилителе мощности и излучается через передающую антенну.

Синхронизация фазовой и амплитудной модуляции обеспечивается с помощью управляющих импульсов, формируемых специальным генератором, работа которого синхронизуется продетектированными импульсами РЛС. Управляющие импульсы представляют собой сигналы пилообразной формы, подаваемые на фазовый модулятор, и сигналы прямоугольной формы - для амплитудной модуляции.

За счет изменения частоты амплитудной модуляции, полярности и преобразования частоты с помощью фазовой модуляции можно сформировать ложную цель, расположенную на большей или меньшей дальности относительно дальности до постановщика помех. Если отношение помеха-сигнал при этом достаточно велико, то истинная цель может подавляться в приемнике РЛС, и оператор РЛС будет наблюдать только ложную цель.

Поскольку обработка сигналов в приемниках РЛС может быть различной, выбор параметров помеховой модуляции при формировании ложных целей должен осуществляться на основании экспериментальных исследований на аналогах РЛС противника или посредством моделирования. В ряде случаев представляется целесообразным излучать ложные сигналы описанной структуры одновременно с непрерывным шумом в пределах всей рабочей полосы частот. Если мощность шума достаточна, чтобы замаскировать действительный отраженный сигнал от цели, то в этом случае исключается возможность повторного захвата цели после срыва захвата, вызванного действием ложной частотной информации.

Известно, что создание одиночных ложных целей на расстоянии порядка 1,5 км от прикрываемой цели, как правило, не препятствует запуску ракеты. Поэтому целесообразно создавать не менее двух ложных целей на различных дальностях и осуществлять по программе уводы строба дальности на эти ложные цели. В этом случае РЛС будет лишена возможности сопровождать по дальности движущуюся в пространстве цель, возникнут большие ошибки слежения по дальности.

Один из методов защиты РЛС от имитационных помех рассмотренной структуры сводится к изменению закона модуляции частоты от импульса к импульсу. В этом случае передатчик ложных целей будет поочередно излучать помеховые импульсы, создающие то опережающие, то запаздывающие ложные цели. В результате на индикаторе РЛС будут наблюдаться импульсы, расположенные по обе стороны от полезного сигнала. При симметричном законе ЧМ - сигнала РЛС ложные цели будут равноотстоящими по временной оси от импульса цели. Это позволяет определять местоположение истинной цели как середины между положениями ложных целей и выставлять следящий строб дальности точно на место, где находится сигнал реальной цели.

Против описанной помехозащиты можно применить помеху с одинаковым изменением частоты от импульса к импульсу, тогда на экране индикатора РЛС будет создаваться только одна ложная цель (не парная) или с двойным изменением частоты в каждом импульсе с использованием, например, балансного модулятора. В этом случае возможно совмещение импульсной помехи с отраженным от цели импульсом, и при достаточной мощности помехи может происходить подавление полезного сигнала в схеме АРУ или ограничителе.

Имитирующие помехи РЛС с ЛЧМ сигналами могут создаваться путем ретрансляции сигналов РЛС с задержкой по времени. Такая помеха проходит фильтр сжатия точно так же, как и полезный сигнал. Если передатчик помех расположен на прикрываемом самолете, то вначале на выходе фильтра сжатия появится сжатый по длительности отраженный сигнал, а затем помеховый сигнал. Время задержки сжатого помехового сигнала относительно сжатого отраженного сигнала будет равно времени задержки помехового сигнала в ретрансляторе.

Имитационная помеха может быть создана также путем амплитудной модуляции гармоническим колебанием и шумом. При амплитудной модуляции по гармоническому закону с частотой fм и глубиной т помеха состоит из составляющей на несущей частоте и двух боковых частот, отстоящих от несущей на величину ±f_М с амплитудой т/ Составляющая на несущей частоте будет ослаблять или усиливать действие отраженного сигнала в зависимости от фазового сдвига, поэтому ее стараются, подавлять при формировании помехи, две другие составляющие будут оказывать мешающее действие, аналогичное смещению частоты на величину ±f_М. Если при модуляции используется одновременно несколько гармонических составляющих, например п, то на выходе фильтра сжатия будет создаваться 2n дополнительных сигналов. Но в этом случае отраженный сигнал будет иметь амплитуду, превышающую амплитуду помеховых составляющих, и помеховый эффект при большом п будет незначительным. Амплитудная модуляция шумом приводит к образованию большого числа ложных отметок, воздействие такой помехи будет эквивалентно действию маскирующей шумовой помехи.

Передатчик уводящих помех по дальности импульсной РЛС с ЛЧМ. Для создания уводящих помех по дальности обычным импульсным РЛС широкое распространение, как указывалось ранее, получил способ, основанный на применении устройства кратковременного запоминания частоты на основе рециркулятора радиоимпульсов. Однако применительно к подавлению РЛС с ЛЧМ этот способ не обеспечивает увод строба дальности РЛС с внутриимпульсной частотной модуляцией, потому что в рециркуляторе запоминается мгновенная частота передней части радиолокационного импульса выборки, которая не совпадает с частотой остальной части ЛЧМ - импульса. В результате этого в запомненном (рециркулированном) радиоимпульсе отсутствует главное изменение частоты. Другой недостаток этого способа при его использовании для создания уводящей помехи по дальности РЛС с ЛЧМ связан с несогласованностью длительности радиолокационного импульса (десятки микросекунд) с величиной задержки в рециркуляторе. В настоящее время в диапазоне СВЧ имеются линии задержки на 0,5 мкс с приемлемой величиной затухания для аппаратурной реализации.

5.4 Радиоэлектронное подавление активными радиопомехами РЛС с квазинепрерывным излучением

РЛС с квазинепрерывным излучением (КНИ) [4] позволяет решать задачи обнаружения воздушных целей на малых высотах и их селекцию по скорости (частоте Доплера) сближения. Зондирующие сигналы в таких РЛС представляют собой когерентную последовательность радиоимпульсов с малой скважностью (Q=5…30). Частота следования импульсов равна (где - максимальная скорость сближения РЛС с целью).

В режиме обзора на входе приемника РЛС действует когерентная пачка радиоимпульсов, отраженных от цели. Количество N_и импульсов в пачке - несколько сотен. За счет увеличения импульсов в пачке по сравнению с РЛС с большой скважностью возрастает средняя мощность принимаемых сигналов. Следовательно, увеличиваются максимальная дальность обнаружения (примерно в 2…3 раза) и помехоустойчивость РЛС при действии радиопомех.

Упрощенная структурная схема РЛС с квазинепрерывным излучением (КНИ) приведена на рис. 40. Принцип действия передатчика РЛС поясняется графиками, изображенными на рис. 41.

Задающий генератор (ЗГ) генерирует высокостабильное гармоническое колебание (рис. 41,а) с частотой и фазой :

.

Это колебание поступает в усилитель мощности (УМ), в котором под действием импульсов модулятора (рис. 41,б) формируется последовательность когерентных радиоимпульсов длительностью ф_и и периодом следования Т_п (рис. 41,в). Модулятор запускается импульсами синхронизатора.

Рис. 40. Упрощенная структурная схема РЛС с квазинепрерывным излучением

Рис. 41. Графики, поясняющие принцип действия передатчика РЛС с квазинепрерывным излучением: мгновенные значения напряжений несущего колебания (а), модулирующего сигнала (б) и излучаемых радиоимпульсов (в)

Полученная на выходе УМ когерентная последовательность радиоимпульсов излучается антенной в окружающее пространство. Излучаемый сигнал имеет вид

,

Сигнал, отраженный от движущейся цели, описывается выражением

.

Здесь - огибающая амплитуд радиоимпульсов; -задержка отраженного сигнала, определяемая дальностью до цели и скоростью распространения ЭМВ; - постоянная фаза за счет отражения ЭМВ.

Если

, то ,

,

Где

- постоянное значение фазы, обусловленное начальным удалением цели;

- доплеровская частота. Если РЛС неподвижна, то скорость сближения равна радиальной скорости движения цели

.

Принятый сигнал поступает к смесителю (см. рис. 40) и с помощью опорного напряжения

преобразуется на промежуточную частоту . Полоса пропускания усилителя промежуточной частоты (УПЧ) согласуется с длительностью импульсов. На выходе УПЧ выделяется пачка радиоимпульсов

,

где и - коэффициенты передачи смесителя и УПЧ.

От УПЧ усиленные сигналы подводятся к т селекторам по дальности (СД1…СД_m). Каждый из селекторов пропускает на выход сигналы целей, находящихся на интервалах дальностей . Селекторы открываются стробирующими импульсами, вырабатываемыми генератором стробирующих импульсов (ГСИ). Сдвиг этих импульсов относительно друг друга по оси времени равен ф_и. Число селекторов дальности равно m=ф_{з max}- ф_и.

Применение селекторов по дальности позволяет повысить отношение сигнал/помеха при фильтровой обработке пачки отраженных импульсов, фиксировать дальности до целей.

С выхода каждого селектора дальности пачки когерентных радиоимпульсов поступают на набор п узкополосных фильтров_; перекрывающих диапазон возможных значений доплеровских частот

.

Одна половина узкополосных фильтров предназначена для приема сигналов от удаляющихся целей, а другая - от приближающихся. Амплитудно-частотные характеристики узкополосных фильтров изображены на рис. 4 Попадание сигналов в первую половину фильтров, частоты настройки которых ниже центральной частоты , свидетельствует о том, что цель удаляется от РЛС (частота отраженного сигнала меньше излучаемого). При появлении сигнала на второй половине фильтров принимается решение о том, что цель приближается.