Коническое сканирование

Коническое сканирование — это система, которая использовалась в первых радарах для повышения их точности, а также для облегчения правильного управления антенной для наведения на цель. Коническое сканирование по своей концепции похоже на более раннюю концепцию переключения лепестков, использовавшуюся на некоторых из самых ранних радаров, и многие примеры наборов переключения лепестков были модифицированы в полевых условиях для конического сканирования во время Второй мировой войны , особенно немецкий радар Вюрцбурга . Наведение антенны можно сделать полностью автоматическим, как у американского SCR-584 . Потенциальные виды отказов и подверженность ложным помехам привели к замене систем конического сканирования моноимпульсными радиолокационными установками. Они до сих пор используются сетью дальнего космоса для поддержания связи с космическими зондами . ^[1] Зонды со стабилизацией вращения «Пионер-10» и «Пионер-11» использовали бортовые маневры конического сканирования для отслеживания Земли на ее орбите. ^[2]

Концепция

Типичная радиолокационная антенна обычно имеет ширину луча в несколько градусов. Хотя этого достаточно для определения местоположения цели в качестве системы раннего предупреждения , этого недостаточно для наведения орудия , для которого требуется точность порядка 0,1 градуса. Улучшить ширину луча можно за счет использования антенн большего размера, но это часто непрактично.

Чтобы отслеживать направление назначенной цели, необходимо только держать антенну направленной прямо на цель. Знание направления наведения антенны затем дает знание целевого направления. Чтобы радиолокационная система автоматически следовала за движущейся целью, необходимо иметь систему управления, которая удерживает луч антенны направленным на цель во время ее движения. Приемник радара получит максимальную мощность возвращаемого сигнала, когда цель находится в центре луча. Если луч направлен прямо на цель, при движении цели она выйдет из центра луча, и мощность принимаемого сигнала упадет. Схема, предназначенная для отслеживания любого уменьшения мощности принимаемого сигнала, может использоваться для управления серводвигателем, который направляет антенну так, чтобы она следовала за движением цели. У этого метода есть три трудности:

У радара не будет информации о том, в каком направлении переместилась цель, и, следовательно, не будет указаний о том, в каком направлении следует перемещать антенну, чтобы следовать за ней.
Когда цель удаляется от центра луча, принимаемая мощность сначала меняется очень медленно. Таким образом, система довольно нечувствительна к ошибкам наведения антенны.
Изменения мощности эхо-сигнала цели, вызванные мерцанием, интерпретируются как движение цели.

Коническое сканирование

Коническое сканирование решает эту проблему, слегка смещая луч радара от центра средней линии антенны или оси визирования , а затем поворачивая его. Учитывая пример антенны, которая генерирует луч шириной 2 градуса (что довольно типично), радар с коническим сканированием может переместить луч на 1,5 градуса в одну сторону от центральной линии, слегка сместив луч. Результирующая диаграмма направленности в любой момент времени покрывает среднюю линию антенны примерно на 0,5 градуса и на 1,5 градуса в сторону. При вращении рупора с помощью двигателя рисунок превращается в конус с центром по средней линии и шириной 3 градуса.

Ключевая концепция заключается в том, что цель, расположенная в средней точке, будет генерировать постоянный возврат независимо от того, куда в данный момент направлен лепесток, тогда как, если она находится в одной стороне, она будет генерировать сильную отдачу, когда выступ направлен в этом общем направлении и слабый, когда указывает в сторону. Кроме того, часть, закрывающая центральную линию, находится вблизи края лепестка радара, где чувствительность быстро падает. Самолет, находящийся в центре луча, находится в зоне, где даже небольшие движения приведут к заметному изменению обратной связи, которое будет намного сильнее в направлении, в котором должен двигаться радар. Система управления антенной выполнена с возможностью перемещения антенны по азимуту и углу места так, чтобы обеспечить постоянный возврат от отслеживаемого летательного аппарата.

Хотя использование только главного лепестка может позволить оператору «охотиться» за самым сильным отраженным сигналом и, таким образом, направлять антенну в пределах градуса или около того в эту область «максимального возврата» в центре лепестка, при коническом сканировании можно использовать гораздо меньшие движения. быть обнаружены, и возможна точность менее 0,1 градуса.

Строительство

Есть два способа вызвать перенаправление луча от средней линии антенны. Первый называется вращающейся подачей. Как следует из названия, рупор устанавливается недалеко от параболической фокальной точки, что заставляет энергию немного фокусироваться от средней линии антенны. Затем подача вращается вокруг фокальной точки параболоида, создавая коническое вращение. Другая система – нутированный корм. Нутированный облучатель смещает антенну под углом к фиксированному рупору, а затем вращает антенну. Вариант нутированной подачи заставляет подачу двигаться по небольшому кругу, быстро и непрерывно меняя направление наведения луча. В этом последнем типе ни облучатель, ни антенна не вращаются вокруг оси наведения антенны; меняется только направление указания, образуя узкий конус.

Основное различие между двумя основными схемами заключается в поляризации. Поскольку рупор облучателя во вращающемся процессе вращается, поляризация изменяется вместе с вращением и, таким образом, будет отклоняться на 90 градусов по поляризации, когда облучатель отклоняется на 90 градусов от своей начальной оси. Поскольку рупор зафиксирован в нутчатых фидерах, изменений поляризации не происходит. В большинстве ранних систем использовалась вращающаяся подача из-за ее механической простоты, но более поздние системы часто использовали нутированную подачу для использования информации о поляризации.

В ВМС США Mk. РЛС управления огнем из 25 орудий, режим спирального сканирования для обнаружения цели. В основном коническое сканирование (невращающегося типа с нутирующей подачей), размер конуса сканирования циклически увеличивается и уменьшается примерно два раза в секунду. Общая площадь сканирования составляла несколько градусов. (Как только цель была обнаружена, оператор переключился на коническое сканирование для сопровождения.)

Поскольку лепесток вращается вокруг средней линии антенны, коническое сканирование действительно подходит только для антенн с круглым поперечным сечением. Так было с «Вюрцбургом», работавшим в микроволновом диапазоне. Большинство других сил использовали радары с гораздо большей длиной волны, для которых требовались параболоидные антенны поистине огромных размеров, и вместо этого использовали «пружинную» конструкцию из множества небольших дипольных антенн, расположенных перед пассивным отражателем. Для организации конического сканирования в такой системе потребовалось бы переместить все диполи, что является непрактичным решением. По этой причине армия США просто отказалась от своего раннего радара наведения SCR-268 . Это не особо раздражало, учитывая, что после миссии Тизарда они находились в процессе внедрения собственного микроволнового радара . В SCR-584 внедрила Радиационная лаборатория Массачусетского технологического института автоматическое слежение.

Автоматическое наведение антенны и, следовательно, любых ведомых орудий или вооружений можно без особых проблем добавить к радару конического сканирования. Система управления должна направлять антенну так, чтобы от цели поступал сигнал постоянной амплитуды.

К сожалению, существует ряд факторов, которые могут кардинально изменить отраженный сигнал. Например, изменения в направлении целевого самолета могут представить различные части фюзеляжа антенне и резко изменить количество возвращаемого сигнала. В этих случаях радар с коническим сканированием может интерпретировать это изменение силы как изменение положения. Например, если самолет внезапно «засветится», когда он отклонился от оси влево, схема может интерпретировать это как отклонение вправо, если изменение происходит, когда лепесток выровнен в этом направлении. Эту проблему можно решить, используя два одновременно перекрывающихся луча приемника, ведущие к моноимпульсному радару , названному так потому, что он всегда сравнивает мощность сигнала одного импульса с самим собой, тем самым устраняя проблемы со всеми изменениями мощности сигнала, кроме невероятно быстрых.

Только прием с коническим сканированием (COSRO)

Системы COSRO не изменяют передаваемый сигнал, передаваемый с антенны.

Волновод антенны в системах COSRO включает в себя структуру принимаемого радиочастотного рупора, которая создает выборку принимаемого радиочастотного сигнала влево/вправо и выборку принимаемого радиочастотного сигнала вверх/вниз. Эти два сигнала мультиплексируются внутри волноводного устройства с вращающейся лопастью. Выход мультиплексного устройства представляет собой один радиочастотный сигнал и два сигнала положения, которые указывают влево/вправо и вверх/вниз.

Технология COSRO не передает никаких сигналов, указывающих положение вращающейся лопатки.

Выборка антенны

Радиочастотные сигналы приема из нескольких импульсов передачи математически объединяются для создания вертикального и горизонтального сигнала. Вертикальный сигнал создается путем сложения радиочастотных выборок, когда лопасть/облучатель находится в верхнем направлении, и вычитания радиочастотных выборок, когда лопасть/облучатель находится в нижнем направлении. Горизонтальный сигнал создается путем сложения ВЧ-выборок, когда лопасть/рупор находится в левом направлении, и вычитания ВЧ-выборок, когда лопасть/облучатель находится в правом направлении.

Это создает пару сигналов угловой ошибки, которые используются для управления приводными двигателями позиционирования антенны.

глушение

Радары конического сканирования легко заглушить . Если цель знает общие рабочие параметры радара, можно послать ложный сигнал, рассчитанный на рост и затухание по той же схеме, что и лепесток радара, но с инвертированной силой. То есть ложный сигнал наиболее силен, когда сигнал радара самый слабый (лепесток находится на «дальней стороне» антенны по сравнению с самолетом), и самый слабый, когда сигнал самый сильный (направлен на самолет). . При сложении с «реальным» сигналом на приемнике радара результирующий сигнал «всегда сильный», поэтому система управления не может точно оценить, в каком месте диаграммы направленности находится цель.

На самом деле реализовать это аппаратно не так сложно, как может показаться. Если знать, что сигнал вращается со скоростью 25 об/мин, как это было в Вюрцбургском радаре, то глушитель устроен так, что затухает от максимума до нуля с той же скоростью 25 раз в минуту. Затем все, что нужно, — это синхронизировать сигналы, что достигается путем поиска нижней точки сигнала (которую обычно легче найти) и запуска паттерна в этой точке. Эта система, известная как помехи с обратным усилением , оперативно использовалась Королевскими ВВС против радара Вюрцбурга во время Второй мировой войны.

Можно устроить радар так, чтобы в вещателе двигались не лепестки, а только приемник. Для этого добавляется вторая антенна с вращающимся лепестком только для приема, система, известная как COSRO , для конического сканирования только при приеме (сравните с LORO , аналогичной системой, используемой против радаров с переключением лепестков ). Хотя это не позволяло передавать информацию о частоте глушителю в самолете, все же можно было просто посылать случайные импульсы и тем самым сбить с толку систему слежения (или оператора). Этот метод, называемый SSW (от Swept Square Wave) , не защищает самолет с той же эффективностью, что и обратное усиление, но он лучше, чем ничего, и часто довольно эффективен.

Ссылки

^ Гавронски, Водек; Крапаро, Эмили (декабрь 2002 г.), «Методы сканирования антенн для оценки положения космического корабля» (PDF) , Журнал IEEE Antennas and Propagation Magazine , 44 (6): 38–45, Бибкод : 2002IAPM...44...38G , doi : 10.1109/map.2002.1167263 , ISSN 1045-9243
^ «Энциклопедия космических полетов Weebau» . 9 ноября 2010 года . Проверено 11 января 2012 г.

Внешние ссылки

Основы радара

[1] Гавронски, Водек; Крапаро, Эмили (декабрь 2002 г.), «Методы сканирования антенн для оценки положения космического корабля» (PDF) , Журнал IEEE Antennas and Propagation Magazine , 44 (6): 38–45, Бибкод : 2002IAPM...44...38G , doi : 10.1109/map.2002.1167263 , ISSN 1045-9243

[2] «Энциклопедия космических полетов Weebau» . 9 ноября 2010 года . Проверено 11 января 2012 г.

[1]

[2]