Глава X. Радиолокационные системы с активным ответом

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

При плавании вблизи берегов в условиях ограниченной видимо­сти часто возникает необходимость определения места судна по бе­реговым ориентирам, знакам навигационного ограждения, буям. Слаборазличимы также сигналы от малых судов, яхт, шлюпок и т. п. Использование искусственных радиолокационных отражате­лей для улучшения их наблюдаемости становится малоэффектив­ным на фоне засветок от морской поверхности, береговой черты и др. Увеличение ЭПР отражателями ограничивается их габарит­ными размерами, массой, парусностью, что затрудняет их установ­ку на малых объектах. Кроме того, опознавание объекта по эхо-сиг­налу, воспроизводимому на экране ИКО РЛС, затруднено, а ино­гда и невозможно.

Эффективно решать задачи выделения сигналов на фоне по­мех и опознавания объектов по отметкам на экране ИКО позво­ляют радиолокационные устройства с активным ответом, образу­ющие совместно с РЛС систему вторичной радиолокации (СВРЛ). Это устройство, получившее название «ответчик», излучает ответ­ные сигналы только после приема запросных сигналов судовой РЛС. Для повышения помехоустойчивости системы запросные сиг­налы излучаются еще и специальными запросчиками.

Активный ответ позволяет значительно увеличить дальность ра­диолокационного наблюдения объектов с малой ЭПР, так как мощ­ность сигналов запроса и ответа убывает пропорционально квадра­ту расстояния до объекта, а не четвертой степени, как это имеет место при приеме отраженных (пассивных) сигналов. Отсутствие флюктуаций ответного сигнала повышает также точность опреде­ления координат объектов, снабженных ответчиком. Кодирование ответа позволяет осуществлять обмен информацией между судами, а также значительно облегчить выделение полезных сигналов на фоне помех.

Дальность обнаружения сигналов ответчика в свободном про­странстве определяется из условия приема запросных и ответных сигналов. Максимальная дальность приема запросного сигнала

где индексами з и о обозначены соответственно характеристики запросчика и от­ветчика; Ри з — импульсная мощность передатчика запросчика; G₃—КНД антен­ны запросчика; G₀ — коэффициент направленного действия антенны ответчика; Pnp.ofmin) — чувствительность приемника ответчика; Р„.₀ — импульсная мощность передатчика ответчика.

При расстоянии D^>D_max3 сигналы запросчика не смогут «за­пустить» ответчик, а при D>D_maxо ответный сигнал не будет об­наружен.

С энергетической точки зрения оптимальной будет СВРЛ, в ко­торой выполняется условие

 

или после подстановки значений максимальных дальностей

Это уравнение позволяет выбрать мощность передатчика и чув­ствительность приемника ответчика при заданных характеристиках запросчика (судовой РЛС). Если условие (X—3) не выполняется, то максимальная дальность действия СВРЛ определяется по наи­меньшему из получаемых по формулам (X—1) и (X—2) значению.

В реальных условиях дальность наблюдения ответных сигналов СВРЛ будет зависеть не только от технических характеристик за­просчика и ответчика, но и от условий распространения радиоволн: высот установки антенн, состояния морской поверхности, метеоус­ловий и других факторов.

Влияние подстилающей (морской) поверхности на дальность действия СВРЛ проявляется в том, что напряженность поля в точ­ке приема равна векторной сумме прямого сигнала и отраженного от морской поверхности. Самым неблагоприятным является случай противофазности этих сигналов. Наблюдаемое при этом интерфе­ренционное замирание может привести к потере запросных (или от­ветных) сигналов на расстояниях D_a (рис. 46), меньших, чем это определяется уравнениями (X—1) и (X—2). Глубина замираний определяется отношением отраженного сигнала к прямому. Послед-

Рис. 46. Зависимость уровня сигнала на входе приемника от расстояния (в ло­гарифмическом масштабе): 1 — в свободном пространстве; 2 — с учетом интерференции; 3 — срез, обусловленный сфе­ричностью земной поверхности

 

нее зависит от состояния морской поверхности, длины волны излу­чения, поляризации и угла падения электромагнитной волны. Наи­более сильно замирание проявляется в штиль.

Распределение «провалов» по дальности зависит от высоты ус­тановки антенн и длины волны излучения. Кроме того (см. рис. 46) _г уровень сигнала резко падает на дальности, превышающей прямую радиолокационную видимость D_P._B.

По характеру решаемых задач и области применения СВРЛ можно выделить следующие системы: навигационного обеспечения; радиолокационного наблюдения; контроля за движением судов; предупреждения столкновений.

Характер решаемых задач определяет соответствующие требо­вания к системе. СВРЛ, используемые в настоящее время, разде­ляются на радиолокационные маяки-ответчики (РМО) и судовые запросчики-ответчики (СЗО).

РМО, называемый также раконом представляет собой приемо­передающее устройство, излучающее ответные сигналы (кодовое сочетание) при поступлении на вход приемника зондирующих им­пульсов судовых РЛС. Они предназначены для улучшения радио­локационной наблюдаемости и опознания объектов, обладающих малыми ЭПР, а также для обозначения «особых» точек.

СЗО в отличие от РМО излучает ответный кодированный сиг­нал лишь при приеме кодированного запроса от специального за- просчика. Функциональные возможности такой системы значитель­но шире. Помимо задач, решаемых РМО, СЗО позволяет осущест­вить обмен навигационной и другой информацией между судами или между судном и береговым центром управления движением.

§ 31. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ МАЯКИ-ОТВЕТЧИКИ

Назначение РМО предполагает их работу с любой судовой РЛС. Согласно требованиям Регистра СССР и Конвенции-60 по безопас­ности мореплавания все суда водоизмещением более 500 per. т дол­жны быть оснащены РЛС трехсантиметрового диапазона волн. Для судовых РЛС в этом диапазоне Регламентом радиосвязи отведена полоса частот 9320—9500 МГц. Следовательно, приемник РМО дол­жен иметь полосу пропускания, ширина которой Af=9500— —9320 МГц= 180 МГц.

Чувствительность его приемника выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимую дальность работы с любой РЛС и в то же время не допустить срабатывание РМО от помех. Ответные сигналы РМО принимаются только в том случае, если их несущая частота попадает в полосу пропускания приемника запрашива­ющей РЛС. Приемники каждой РЛС настраиваются на прием от­раженных сигналов и имеют полосу пропускания 4—20 МГц. Для приема сигналов РМО необходимо, чтобы их частота в процессе излучения ответа изменялась в пределах возможной настройки при­емника РЛС, т. е. от 9320 до 9500 МГц. Сигналы от РМО при этом будут видны на экране ИКО судовой РЛС вместе с сигналами, от­раженными от пассивных объектов.

Изменение (качание) частоты ответного сигнала РМО может быть быстрым, когда полная перестройка осуществляется в тече­ние каждого ответного импульса, и медленным, когда перестройка происходит за относительно длительный период (60—120 с). По­следний метод нашел более широкое применение, так как позво­ляет точнее измерить дистанцию, а сигналы от таких РМО в мень­шей степени «засоряют» экран ИКО. Ответные сигналы наблюда­ются периодически: через каждые 15—30 оборотов антенны РЛС в течение 2—3 оборотов.

В зависимости от места установки РМО его антенная система может быть всенаправленной или секторной.

Первые опыты по созданию и использованию РМО были прове­дены еще в 50-х годах, но несовершенство элементной базы сдер­живало их широкое применение. В 70-х годах в связи с бурным развитием полупроводниковой электроники интерес к этим систе­мам вновь возрос. Ведущими в области радиолокационной техни­ки фирмами были разработаны серии РМО для установки на бе­реговых и плавучих объектах. Отечественной промышленностью в 60-х годах был освоен выпуск РМО типа «Огонек».

 

 

Позднее был разработан новый тип универсального РМО, выполненного пол­ностью на полупроводниковых элементах.

Опыт эксплуатации РМО с качанием частоты позволил выявить недостатки такой системы:

слабую наблюдаемость ответных сигналов в условиях интенсив­ных помех от моря, гидрометеоров и окружающих объектов;

наличие секторных и круговых засветок на экране ИКО РЛС, «маскирующих» эхо-сигналы;

малую степень распознавания сигналов.

Массовое и бесконтрольное применение РМО могло привести к чрезмерному засорению радиолокационного изображения. Поэто­му вопросы использования СВРЛ специально рассматривались Подкомитетом по безопасности мореплавания ИМО. В соответст­вии с рекомендациями ИМО Международная ассоциация маячных служб регламентировала технические характеристики (табл. 5) и область применения РМО с качанием частоты. Их применение ог­раничено навигационным обеспечением береговых и плавучих зна­ков, опасностей. В исключительных случаях разрешена их установ­ка на суда, стесненные в маневрировании или перевозящие опас­ные грузы.

Все РМО разделены на три класса: большой дальности (до 25 миль); средней дальности (8—15 миль); малой дальности (до 6 миль).

РМО большой дальности предусматривается устанавливать на береговых навигационных знаках на высоте более 30 м над уров­нем моря, средней дальности — на плавучих маяках, навигацион­ных знаках или на береговых знаках на высоте менее 30 м над уровнем моря, малой дальности — на буях или знаках, огражда­ющих входы в порты, фарватеры.

Принцип работы РМО с качанием частоты поясняется схемой, приведенной на рис. 47.

Зондирующие импульсы судовой РЛС через всенаправленную приемную антенну А1 поступают на вход приемника, состоящего из видеодетектора БД и видеоусилителя ВУ. Усиленные сигналы с выхода приемника подаются на пороговое устройство ПУ. В случае превышения сигналом порогового уровня производится запуск ко­дирующего устройства КУ. В некоторых случаях между пороговым и кодирующим устройствами помещается схема анализа регуляр­ности следования импульсов запроса, которая повышает помехо­устойчивость ответчика. В КУ предусматривается возможность из­менения кодовой комбинации импульсов, соответствующей буквам кода Морзе.

В соответствии с кодовой последовательностью запускается пе­редатчик, состоящий из модулятора М и СВЧ-генератора перестра­иваемой частоты Г. Далее ответные СВЧ-сигналы через всенаправ­ленную антенну А2 излучаются в пространство и достигают запра­шивающей РЛС. В современных РМО в качестве модулятора используются мощные транзисторы, а в качестве СВЧ-генератора широкое применение получили лавинопролетные диоды и диоды Ганна. Перестройка частоты осуществляется изменением емкости р—л-перехода варикапа, включенного в колебательный контур ге­нератора.

Для приема запросных и излучения ответных сигналов может быть использована и одна антенна с применением антенного пере­ключателя.

,

 

 

Необходимый режим качания частоты задается генератором пи­лообразного напряжения, работающим в автоколебательном режи­ме. Управление его работой осуществляется схемой принятия реше­ния, которая по заранее заданному алгоритму включает РМО в активный режим или переключает в режим ожидания.

Контроль полосы излучаемых колебаний осуществляется с по­мощью двух резонаторов высокой добротности Р1 и Р2, настроен­ных на крайние частоты рабочего диапазона. Когда рабочая часто­та достигает частоты настройки одного из резонаторов, происходит изменение направления качания частоты СВЧ-генератора.

Схема блокировки СБ вырабатывает импульсы, запирающие приемник на время обработки запросного и излучения ответного сигналов. Тем самым предотвращаются самовозбуждение ответчика "и искажение ответного сигнала запросными импульсами других РЛС.

Изображение ответного сигнала на экране ИКО РЛС при неко- дированном ответе имеет вид, показанный на рис. 48. Поскольку ответный сигнал излучается с некоторой задержкой, обусловлен­ной прохождением сигналов по цепям ответчика, он воспроизводит­ся на расстоянии, большем фактического. Иногда для улучшения наблюдения ответного сигнала относительно отметок берега вво­дится дополнительная задержка. Время задержки указывается на картах и в лоциях для каждого РМО и учитывается при определе­нии расстояний. Кроме того, указываются координаты ответчика,

код его ответного сигнала, минимально допустимое приближение к нему и другие параметры.

Недостатки РМО с качанием частоты связаны £ невозмож­ностью освободиться от сигналов, когда надобность в них отпадает. Это устраняется при переходе на фиксированную частоту ответа, находящуюся вне полосы частот, отведенной для работы РЛС. Применение РМО с фиксированной частотой ответа (РМО-Ф) обес­печивает:

раздельное и совместное наблюдение радиолокационных эхо- сигналов и сигналов ответчика на экране ИКО;

раздельную и совместную обработку этих сигналов на ЭВМ;

высокую степень опознавания;

высокую защищенность ответных сигналов от помех на рабочей частоте РЛС.

Для работы РМО-Ф выделены полосы частот: в трехсантиметро­вом диапазоне волн 9300—9320 МГц; в десятисантиметровом — 2900—2920 МГц. Эти полосы находятся на краю диапазона частот, отведенного для судовых РЛС. Это сделано для того, чтобы при приеме сигналов РМО-Ф мог быть использованый тракт РЛС. Специальная приставка (дополнительный гетеро­дин) обеспечивает прохождение сигналов по приемному тракту РЛС. Для эксплуатирующихся РЛС такая модернизация не вызы­вает трудностей даже в судовых условиях, а в отечественных РЛС типа «Печора» и «Океан-С» прием сигналов РМО-Ф предусмотрен заводом-изготовителем.

В 1980 г. ИМО рекомендовано использование РМО-Ф для обо­значения характерных точек пологих берегов, навигационных ог­раждений, подходов к портам, береговых объектов. Ответчики раз­делены на два типа:

А — ближнего действия (до 10 миль);

В — дальнего действия (10—30 миль).

Технические характеристики каждого из них регламентированы (табл. 6). Выбор типа запрашиваемого маяка осуществляется ав­томатически в зависимости от установленной на ИКО шкалы даль­ности. Это достигается селекцией зондирующих импульсов РЛС по длительности в приемнике РМО-Ф.

Структурная схема РМО-Ф и принцип работы незначительно от­личаются от РМО с качанием частоты (см. рис. 47).

§ 32. СУДОВЫЕ ЗАПРОСЧИКИ-ОТВЕТЧИКИ

Несмотря на совершенствование методов обработки сигналов и широкое внедрение в РЛС цифровой техники, существует ряд за­дач, решение которых традиционными методами затруднено или невозможно. В первую очередь это относится к решению задач безо­пасного расхождения судов в море.

Оценка ситуации на основе обработки радиолокационной ин­формации как вручную, так и средствами автоматической радио­локационной прокладки (САПР) основывается на предположении о неизменности параметров движения цели (курса и скорости) в течение интервала наблюдения. В условиях интенсивного движения, хогда судам приходится часто маневрировать, эффективность та­кого метода мала. Возникают ситуации неопределенности взаимно- то положения, возрастает опасность столкновения судов.

 

Маневрирующее судно всегда является объектом повышенной опасности, поскольку невозможно предсказать его действия. Забла­говременное оповещение всех судов о характере маневра позволило «бы прогнозировать ход событий и избегать опасных ситуаций. Для правильного выполнения требований МППСС-72 и согласования действий судоводителей полезной может оказаться информация о типе судна, его водоизмещении, особенностях груза и др. Исполь­зование для этой цели УКВ-радиотелефонной связи ограничено ря­дом факторов, наиболее ощутимо проявляющихся в районах интен­сивного судоходства. Это, в частности: медленный темп передачи данных;

сложность в установлении соответствия передаваемого сообще­ния отметке на ИКО РЛС;

перекрытие и искажение сообщений; языковые трудности;

отвлечение судоводителей во время сеанса связи от наблюде­ния за окружающей обстановкой.

Эффективно решать задачу автоматического обмена информа­цией между судами при точном соответствии передаваемых сооб­щений отметкам на ИКО и высокой пропускной способности позво-.ляет судовая система вторичной радиолокации. Она включает ап­паратуру СЗО и РЛС. Преимущества такой системы полностью мо­гут быть реализованы только при установке СЗО на всех судах. А это требует единого принципа построения СЗО и регламентации их основных технических характеристик в международном мас­штабе.    /

В 1979 г. ВАКР для работы СЗО были выделены полосы частот, расположенные за пределами отведенных для судовых РЛС и РМО:

Это сделано во избежание взаимных помех между одновремен­но работающими судовыми системами.

Использование для передачи запроса и приема ответных сиг­налов антенны и СВЧ-тракта судовой РЛС в данном случае затруд­нено, так как сопряжено с необходимостью значительной модерни­зации существующих РЛС. Помимо дополнительных затрат такая модернизация может привести к ухудшению характеристик РЛС.

Результаты исследований и опыт эксплуатации показали, что предпочтение следует отдать автономному СЗО, работающему не­зависимо от РЛС и легко сопрягаемому с ними. В качестве запрос­ного сигнала, кроме кодовой посылки СЗО, используется также зон­дирующий импульс РЛС, что позволяет существенно повысить по­мехоустойчивость системы в целом и осуществить азимутальную селекцию ответных сигналов.

В нашей стране уделяется большое внимание вопросам разра­ботки и использования СЗО. В 1974 г. был создан СЗО «Волга», предназначенный для координации действий рыболовной флотилии с борта плавбазы «Восток». Опытная эксплуатация аппаратуры: дала положительные результаты, что явилось толчком для ее дальнейшего развития. С учетом перспективы использования СЗО на всех судах мирового флота в настоящее время разработан более совершенный СЗО, отвечающий международным требованиям и по­зволяющий вести двусторонний обмен информацией между судами.

На рис. 49 показан внешний вид основных блоков аппаратуры СЗО. В ее комплект входят приемопередающий блок с антенной 1, процессор 2 и дисплей 3 (последние могут быть совмещены). В ре­жиме запроса работа СЗО синхронизируется запускающими им­пульсами РЛС. Для стробирования ответного сигнала по положе­нию цели на экране ИКО в процессор дополнительно вводятся им­пульсные сигналы отметки курса и метки дальности. Стробирование позволяет улучшить разрешающую способность и увеличить поме­хоустойчивость системы. Вид запроса, т. е. характер запрашиваемой информации (опознавание, курс, скорость, маневр и др.), выбира­ется оператором на пульте управления 4. Информация, получаемая от ответчика, отображается на цифровом табло дисплея 5.

 

 

Для по­стоянного контроля на это же табло выводится информация о собственном судне 6. Значения курса и скорости своего судна вводятся в процессор автоматически от гирокомпаса и лага либо вручную через клавиатуру ввода информации 7. Оперативный контроль ра­ботоспособности СЗО осуществляется в режиме «Тест» органами управления 8. Приемопередающий блок с антенной устанавлива­ется на мачте по возможности выше. СЗО сопрягается с любой судовой РЛС 3-сантиметрового диа­пазона волн. В табл. 7 приведены основные технико-эксплуатаци­онные характеристики современного СЗО, отвечающего требовани­ям ИМО.

 

Работу СЗО рассмотрим по упрощенной структурной схеме, представленной на рис. 50. Большую часть времени СЗО работает в режиме ответа и только по желанию оператора переводится в режим запроса. На рис. 50 показано два идентичных СЗО, состав­ляющих систему вторичной радиолокации, СЗО-1 работает в режи­ме запроса, СЗО-2—в режиме ответа.

Запрос осуществляется нажатием клавиши на пульте управле­ния и индикации ПУИ, которая соответствует получению желаемого вида информации. При этом в кодирующем устройстве запроса КЗ формируется запросный сигнал, поступающий к передатчику 10- сантиметрового диапазона волн ПД-10. Далее модулированный СВЧ-сигнал через циркулятор Ц и всенаправленную антенну А1-10 излучается в пространство с некоторым упреждением относительно зондирующего импульса РЛС. Упреждение запросного сигнала не­обходимо для возможности его декодирования до срабатывания схе­мы совпадения СС в ответчике.

Ответчик СЗО-2 принимает через всенаправленные антенны Л2-10 и А2-3 высокочастотные сигналы запроса и зондирующий им­пульс РЛС. Прошедший через приемник 10-сантиметрового диа­пазона волн ПР-10 сигнал запроса декодируется в устройстве ДКЗ. Ответ, соответствующий формату запроса, вырабатывается только в том случае, если получен сигнал разрешения от приемника зон­дирующих импульсов РЛС ПР-3. Этим обеспечивается азимуталь­ная селекция запрашиваемых ответчиков: запрос принимается только теми ответчиками, на которые направлена в данный момент антенна судовой РЛС. Запускаемое сигналом со схемы совпадения СС кодирующее устройство ответа КО формирует сигнал, который поступает на передатчик ПД-10 и через всенаправленную антенну А2-10 излучается в пространство.

Принятый антенной А1-10 ответный сигнал поступает к приемни­ку ПР-Ю, где усиливается, детектируется и подается на декодиру­ющее устройство ДКО. После преобразования в ПУИ сигнал в циф­ровом виде Отображается на индикаторной панели дисплея. Допол­нительно на экране ИКО РЛС отвечающая цель выделяется специ­альным маркером.

Получаемая от СЗО информация может непосредственно ис­пользоваться штурманом. Кроме того, информация о курсе и ско­рости запрашиваемого судна (Кц, Уц) может быть введена в САРП для оценки ситуации. Индивидуальное опознавание судов в случае необходимости позволит использовать УКВ-радиотелефонную связь.

Разработка СЗО ведется также и за рубежом: США (MRU), Великобританией (MIDAR) и др. Принцип их работы существенно не отличается от изложенного выше.

К судовым следует отнести также РМО с быстрым качанием частоты, используемые для оснащения спасательных средств РМО-С. Качание частоты в них осуществляется во всей полосе час­тот, отведенной для работы судовых навигационных РЛС 3-санти­метрового диапазона волн (9320—9500 МГц). Поэтому на экране ИКО всех РЛС, находящихся в зоне действия РМО-С, будет на­блюдаться ответный сигнал.

Для повышения радиолокационной наблюдаемости и привлече­ния внимания при проведении поисковых и спасательных работ сигнал отображается на ИКО в виде серии (около 20) оадиальных точек (рис. 51). При этом направление на объект, терпящий бедст­вие, определяется как продолжение этой линии до пересечения с азимутальной шкалой ИКО, а расстояние — по первой от начала развертки точке из серии. На близких расстояниях от РМО-С вслед­ствие приема сигналов боковыми лепестками антенны РЛС возни­кают секторные и круговые засветки (см. рис. 51).

На рис. 52 показан внешний вид РМО-С типа «Melsweep» (Япо­ния). В комплект спасательного ответчика входят: СВЧ-приемопе- редатчик со световым маяком, зуммер с индикатором работоспособ­ности, две морские батареи питания. Приемопередатчик и зуммер водонепроницаемого исполнения, их общая масса около 700 г. Ба­тареи обеспечивают работу ответчика в течение 40 ч. Они начинают работать, как только в них попадает морская вода. Одна батарея служит для питания электрических схем, а другая — лампочки све­тового маяка. Зуммер работает при облучении ответчика импуль­сами РЛС. Увеличение длительности звукового сигнала свидетель­ствует о приближении поискового судна, что оказывает положи­тельный психологический эффект на терпящих бедствие и может служить основанием для использования других средств подачи сигнала бедствия. На небольших расстояниях, когда на экране ИКО РЛС наблюдаются секторные засветки, в ночное время поиск ведется визуально по сигналам светового маяка.

Результаты проведенных исследований показали, что использо­вание РМО-С «Melsweep» позволяет увеличить дальность обнару жения спасательного плотика по сравнению с визуальным наблю­дением (бинокль) днем в 3,5 раза, вечером в 5 раз, а ночью в 15— 20 раз.

Схема построения и принцип работы РМО-С аналогичны нави­гационным РМО с качанием частоты ответа (см. рис. 47).

 

 

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: