Радиолокация без формул, но с картинками

Размахин Михаил Константинович

Но и это еще не все. Сигнал по мере прохождения линии задержки в значительной мере ослабляется — затухает. Это связано с большим поглощением колебаний в материалах, используемых для задержки сигнала.

Так что изображенная на рисунке (стр. 94) ситуация не совсем точна. Если бы удалось нарисовать длинную линию задержки, у которой было бы 1000 выходов, то высота фигурок, изображающих сигналы, была бы разной. Для правильной обработки всего длинного суммарного сигнала необходимо, чтобы все отрезки (сигналы с отдельных отводов) имели одинаковую амплитуду. Следовательно, на многих отводах, особенно в конце линии задержки, нам придется ставить усилители, которые будут выравнивать амплитуды сигналов. Значит, фильтр станет еще сложнее. Для предохранения этого

сложного фильтра от колебаний температуры, сотрясений, воздействия соседних блоков приемника нужно предусмотреть еще целый набор устройств, так что задача создания согласованного фильтра для сложного сигнала с большой базой действительно очень трудна. Естественно, что теоретикам задали вопрос, нельзя ли как-то обойти эти трудности и сжимать сигнал, не используя сложные в изготовлении согласованные фильтры.

Можно сделать иначе

Сжатия сигнала можно добиться и с помощью более простого устройства — коррелятора. У коррелятора два входа. На один поступает принятый сигнал, а на второй — подают так называемый опорный сигнал. Для этого в момент излучения передатчиком зондирующего сигнала небольшую часть этого сигнала отводят с помощью линии задержки. Коррелятор как бы сравнивает поступающие сигналы, и если они одинаковы, то на выходе формируется узкий и мощный сигнал. Этот пик в точности совпадает с пиком на выходе согласованного фильтра. Если сигналы на входе коррелятора будут разными, то на выходе получается незначительный сигнал, почти не заметный на фоне шума.

Правда, мы пока что предполагали, что нам известно, когда нужно подать опорный сигнал на коррелятор. На самом деле, конечно же, так не бывает. Чтобы узнать момент подачи опорного сигнала на коррелятор, нужно знать дальность до отражающего объекта, а это именно и является конечной целью работы радиолокатора. Такой порочный круг нужно разорвать. Делается это так.

Будем с очень небольшими перерывами подавать на коррелятор опорный сигнал. Если в какой-то момент на антенну сигнал не поступает, то на коррелятор одновременно с опорным сигналом придет лишь шум, который всегда принимается антенной. И только когда опорный сигнал поступает на коррелятор одновременно с принятым отраженным сигналом, на выходе коррелятора появится мощный сжатый импульс. В этот момент мы и заметим на экране индикатора отметку от цели. Но для непрерывной подачи опорного сигнала нужны иногда довольно сложные схемы задержки и устройства циркуляции. Часто сложность таких схем становится сравнимой со сложностью согласованного фильтра, и это сводит на нет преимущества простой структуры коррелятора (обычный перемножитель и интегратор). У радиолокаторов, использующих для сжатия сигналов коррелятор, есть довольно важное преимущество. В них можно менять форму используемых сигналов. Для этого нужно изменить только генератор зондирующих сигналов в передатчике. Работу коррелятора такая замена не нарушит, так как опорный сигнал отводится от генератора и он изменится автоматически при смене излучаемого сигнала. В приемнике с согласованным фильтром это сделать нельзя, так как быстро перестроить сложную структуру устройства обработки практически невозможно.

Почему это свойство является преимуществом? Представьте себе действующий в боевой обстановке радиолокатор, который использует только один вид сигнала. Системы радиотехнической разведки противника, оснащенные чувствительными приемниками, непрерывно ведут наблюдение на всевозможных частотах за появляющимися в эфире РЛС. Если им удается принять большое число сигналов радиолокационной станции, то тогда можно установить такие важнейшие характеристики РЛС, как частота сигналов, их длительность и даже форма отдельных импульсов. Зная эти параметры, противник может с помощью мощных передатчиков излучить сигнал, не отличающийся от зондирующих. При этом на индикаторе появится одна или несколько ложных отметок от целей, которых просто не существует. Противник может использовать и другие методы для срыва работы радиолокационной станции, например, излучать мощные шумовые сигналы в диапазоне частот РЛС. В этом случае наблюдение и реальных и ложных целей становится попросту невозможным. Вот в таких случаях и проявляются все преимущества станций с корреляционной обработкой. Она может изменить форму сигналов и тем самым избежать вредного воздействия помех противника.

У коррелятора по сравнению с согласованными фильтрами значительно шире круг используемых сигналов. Кроме уже знакомых нам ЧМ и ФМ сигналов в приемнике с корреляционной обработкой можно применять, например, сигналы в виде отрезков случайных шумовых процессов. Создать согласованный фильтр для этого сигнала невозможно, а использовать его очень соблазнительно. Обнаружение такого радиолокатора — дело весьма трудное, так как его сигналы легко спутать с обычными шумами. Но даже если сигнал обнаружен, измерить его параметры почти невозможно.

В конечном итоге получается, что и у

корреляторов, и у согласованных фильтров есть и свои достоинства, и свои недостатки. Решать, какую из схем радиолокационного приемника надо использовать, приходится в каждом конкретном случае отдельно, тщательно взвесив цели, поставленные перед будущей станцией, и возможности производства. В любом случае — используем ли мы коррелятор или согласованный фильтр — физический смысл обработки сигнала один и тот же. Мы просто сжимаем приходящий отраженный сигнал, чтобы повысить надежность его обнаружения и улучшить разрешающую способность станции.

Но у всякого реального полезного процесса есть и неприятные теневые стороны. И в нашем случае приходится учитывать побочные эффекты сжатия импульсных сигналов. Вот к ним-то мы и переходим.

О тех, кто рядом

Ну что же, казалось бы, все в порядке. Над уровнем шума сигнал мы подняли, сделали его коротким, так что местоположение цели теперь можно определить достаточно точно. В пору подписывать проект станции у начальства и передавать его разработчикам. Они превратят проект в рабочие чертежи и схемы, строители возведут станцию, монтажники соберут оборудование. Станцию опробуют и сдадут эксплуатационникам, которым предстоит обнаруживать и сопровождать цели. И все-таки остается еще масса нерешенных проблем, и одна из самых важных — проблема боковых лепестков.

Дело в том, что при сжатии в согласованном фильтре и в корреляторе мы никогда не получаем одиночного сжатого сигнала. Где бы он ни появился, его всегда спереди и сзади сопровождают младшие братья — боковые лепестки. Иногда их еще называют остатками сжатого сигнала. Хотя они по величине меньше основного, но учитывать их влияние необходимо. Никакой пользы они не приносят, а вредны по двум причинам.

Во-первых, боковые лепестки увеличивают уровень шума вблизи сжатого сигнала. Если один из них случайно совпадает с шумовым выбросом, то их сумма может стать большой и такой лжесигнал можем принять за полезный — произойдет ложная тревога.

Во-вторых, даже если шум настолько слаб, что его влиянием можно пренебречь, то и тогда боковые лепестки могут исказить истинную картину расположения целей.

Уровень боковых лепестков пропорционален уровню полезного сжатого сигнала.

Увеличим полезный сигнал втрое — и боковой лепесток возрастет втрое. При уменьшении сигнала происходит то же самое. Предположим, что самый большой боковой лепесток в десять раз слабее сжатого сигнала и на антенну попадает два полезных сигнала от двух разных целей. Один из них, скажем второй, слабее другого тоже в десять раз. Тогда наибольший боковой лепесток первого сигнала и второй основной сжатый сигнал имеют одну и ту же величину. Попробуйте разобраться, кто есть кто! Вряд ли Вам это удастся. А если второй полезный сигнал еще слабее или шум не очень мал, то на экране появится такая неразборчивая картина, что второй полезный сигнал мы наверняка пропустим. Если мы знаем, что вторая цель наверняка должна быть, и поэтому пристально ищем отметку от нее, то тогда мы можем принять боковой лепесток первого сигнала за отметку от второй цели. Тем более, что боковой лепесток так же стабилен, как и полезный сигнал. Опять ошибка, так как вторая цель будет обнаружена не там, где она находится на самом деле.

Вот почему вредны боковые лепестки. Совершенно устранить их невозможно. Правда, придуманы методы частичного уменьшения величины боковых лепестков, но они весьма сложны и не всегда надежны. Приходится учитывать и то, что, пытаясь уменьшить боковые лепестки, мы можем исказить или уменьшить и основной, сжатый, полезный сигнал. Поэтому специалисты вынуждены мириться с присутствием этих вредных сигналов и следить лишь за тем, чтобы они не становились слишком большими.

Для каждого радиолокационного сигнала картина расположения боковых лепестков различна. Обычно боковые лепестки занимают интервал, равный удвоенной длительности несжатого сигнала. Сам основной сжатый сигнал расположен в центре этого интервала. У одних сигналов боковые лепестки равномерно покрывают весь интервал и величина их примерно одинакова. У других боковые лепестки имеют разную величину, причем наибольшие лепестки могут располагаться и вблизи сжатого сигнала, и по краям интервала. Существует несколько приближенный закон сохранения «объема» лепестков. Если за счет каких-то мер мы добились уменьшения лепестков на одном участке интервала, то обязательно должны возрасти лепестки на других участках. Подбирая сигнал и несколько видоизменяя его, мы можем получить практически любое нужное нам расположение боковых лепестков.