Радиолокационная система обзора земной поверхности

Радиолокационные системы обзора земной поверхности (РОЗ), устанавливаемые на самолетах, позволяют получать радиолокационные изображения земной поверхности и находящихся на ней объектов независимо от метеорологических условий и уровня естественной освещенности местности.

А. Панорамная РОЗ.

Панорамной называется РОЗ, формирующая на индикаторе яркостную картину (панораму) местности, находящейся под самолетом, и расположенных на ней местных объектов, получаемую при помощи кругового вращения (вокруг вертикальной оси) диаграммы направленности антенны (см. рис. 3.79). Измеренными координатами объектов являются дальность и азимут (угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый, как правило, от продольной оси самолета).

Панорамная РОЗ устанавливается на средних и тяжелых самолетах как гражданского, так и военного назначения. В связи с этим круг задач, выполняемых панорамными РОЗ, достаточно широк – от задач навигации (местоопределения) самолета – носителя РОЗ (по наземным ориентирам и навигационным радиомаякам) до прицельного бомбометания в отсутствие видимости. При этом панорамные РОЗ являются приборами автономного самолетовождения, выгодно отличающимися от навигационных радиосистем с ответным излучением в том смысле, что панорамные РОЗ не нуждаются в наземном радиооборудовании, устанавливаемом вдоль трассы полета. Иначе говоря, выход из строя наземных радиомаяков не лишает экипаж самолета-носителя панорамной РОЗ средств радионавигации.

Из рис. 3.79 видно, что диаграмма направленности антенны, расположенной под фюзеляжем самолета и вращающейся (со скоростью 5...50 ) вокруг вертикальной оси, совершает так называемый круговой обзор. В ряде панорамных РОЗ выполняется секторный обзор, когда диаграмма направленности перемещается в пространстве лишь в определенном диапазоне () азимутальных углов. Однако, круговой обзор используется значительно более часто.

Для получения подробного изображения земной поверхности панорамная РОЗ должна обладать высокой разрешающей способностью. Разрешающая способность по дальности (в радиальном направлении) обеспечивается за счет использования коротких (0,5...3 мкс) излучаемых радиоимпульсов, а разрешающая способность по азимуту – при помощи достаточно узкой (1...3 ) в горизонтальной плоскости диаграммы направленности (азимут объекта измеряется методом максимума).

Чтобы охватить излучением как можно большую область земной поверхности, ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости берется достаточно большой (30...60 ). При этом форма диаграммы направленности в вертикальной плоскости выбирается из условия, чтобы как близкорасположенные, так и удаленные наземные объекты, обладающие равными эффективными площадями рассеяния, создавали на входе радиоприемного устройства сигналы одинаковой интенсивности (и, соответственно, отметки равной яркости на экране индикатора панорамной РОЗ) – диаграмма направленности, удовлетворяющая данному требованию, имеет так называемую косекансную (рис. 3.80) форму. Косекансная зависимость обусловлена тем фактом, что дальность при фиксированной высоте изменяется по закону косеканса: . Для сантиметрового диапазона длин излучаемых радиоволн размеры антенны панорамной РОЗ располагаются в интервале 50...150 см.

Отметим, что интенсивность принятого радиосигнала во многом определяется характером отражения электромагнитных волн от различных видов земной поверхности. Отражающие особенности могут быть сгруппированы в три классификационные подразделения.

Первый тип – зеркальное отражение. Оно характеризуется законом:

угол падения электромагнитной волны равен углу ее отражения (рис.3.81, а).

Примерами поверхностей с зеркальным типом отражения могут быть названы: вода, (в спокойном состоянии), гладкий лед, металлический лист и.т.д. Для реальных случаев коэффициент отражения (в направлении источника излучения) зависит от угла падения (рис.3.81, б) и для приблизительных оценочных расчетов может быть принят равным приблизительно . Поэтому поверхность, скажем, спокойно – текущей воды имеет на экране яркостного индикатора преимущественно темный фон.

Второй тип – диффузное отражение. Оно характеризуется разнонаправленным и примерно одинаковых интенсивностей отражением (обратным рассеянием) падающего луча (рис.3.82, а).

Примерами поверхностей с диффузным типом отражения могут служить взрыхленная почва, травянистый покров и.т.д. Для реальных случаев коэффициент отражения (в направлении источника излучения) постоянен при сравнительно небольших углах падения и уменьшается с ростом при значительных углах падения (рис.3.82, б). Для приблизительных оценочных расчетов коэффициент интенсивности отраженного радиосигнала может быть принят равным какому-то значению из диапазона . Поэтому травяная поверхность, например, имеет на экране яркостного индикатора засветку средней интенсивности.

Отметим, что граница между зеркальным и диффузным отражениями может быть найдена в виде аналитического выражения.

Предположим, что на плоской поверхности имеется выступ высоты (рис.3.83.). Падающий (под углом ) от источника излучения луч касается этого выступа в точке А, зеркально отражается (в направлении точки B) от нее и одновременно движется дальше, к точке С на плоскости. В точке С также происходит зеркальное отражение данного луча – в направлении точки Д.

Такова исходная геометрическая картина. Теперь проведем рассуждения. Если отраженные от точек А и С лучи придут в точки В и Д в одинаковых фазах, то совокупная поверхность “плоскость – выступ” может рассматриваться как создающая зеркальное отражение.

Найдем разность фаз лучей, приходящих в точки В и Д по путям АВ и АСД. Полагая длину волны излучаемого радиоколебания равной величине , получим:

(3.98.)

При будем иметь, , и отражение от поверхности “плоскость - выступ” будет зеркальным. Если использовать предположение, что зеркальность существует при , то исходя из соотношения (3.98.) нетрудно сделать следующий вывод: при размерах выступов (неровностей), удовлетворяющих неравенству

, (3.99.)

совокупную поверхность “плоскость – выступ” можно считать условно – зеркальной. В метровом диапазоне длин волн неравенства (3.99.) обычно выполняется для земной поверхности. Если же размеры выступов не удовлетворяют неравенству (3.99.), то такую поверхность расценивают как шероховатую. В сантиметровом диапазоне длин волн земная поверхность всегда рассматривается как шероховатая (обладающая диффузным типом отражения).

Третий тип – резонансное отражение. Оно характеризуется концентрацией в случайном (в общем случае) направлении (рис.3.84.).

Примерами поверхностей с резонансным типом отражения могут быть профилированные специальным образом поверхности (крыши домов, сложная поверхность грузового автомобиля, конфигурированная поверхность совокупности металлоизделий, и.т.д.). Ввиду случайного характера этих поверхностей построить зависимость коэффициента отражения (в направлении излучения) от угла затруднительно, однако для приближенных оценочных расчетов величина может быть выбрана из диапазона значений 0,1…0,9. Поэтому профилированные объекты могут давать на экране индикатора локальные засветки.

Упрощенная структурная схема панорамной РОЗ представлена на

(рис.3.85, а)

Синхронизатор 1 запускает радиопередающее устройство 2, которое вырабатывает радиоимпульс с высокочастотным заполнением. Этот радиоимпульс подается на антенный переключатель 3 и далее на волноводно – фидерный тракт 4, с выхода которого данный радиоимпульс поступает на антенну и излучается в пространство. Антенна представляет собой систему “рупорный облучатель – параболический цилиндр с так называемым козырьком”, формирующую косекансную диаграмму направленности. Эта антенна расположена в нижней части фюзеляжа самолета и закрыта радиопрозрачным обтекателем. Импульсная мощность излучения составляет 50…80 кВт.

В процессе работы панорамной РОЗ антенна вращается с угловой частотой . Это вращение задается узлом 5, в который входят генератор опорного напряжения (изменяющегося с частотой ) и двигатель. Чтобы электромагнитная энергия поступала в антенну при любом ее положении, в состав волноводно – фидерного тракта включены вращающиеся сочленения.

Радиосигнал, излученный в пространство, распространяется в атмосфере, отражается от земной поверхности и, будучи принят антенной, через волноводно – фидерный тракт и антенный переключатель поступает на радиоприемное устройство 6. Отметим, что длительность радиосигнала, отраженного от земной поверхности, значительно больше, чем длительность излученного радиосигнала. Это объясняется протяженностью отражающего участка земной поверхности в том смысле, что отражение радиосигнала сначала, происходит от тех точек данного участка, дальности R которых немногим больше, чем высота H полета, затем от более удаленных точек и, наконец, от точек, расположенных в окрестности максимальной дальности (для панорамных РОЗ максимальные дальности при высоте полета 9000 тыс.м и более составляют: для крупных водоемов – 100км, для крупных городов – 280км). Протяженный во времени видеосигнал с выхода радиоприемного устройства подается на так называемый индикатор кругового обзора.

Индикатор кругового обзора состоит из электронно – лучевой трубки 7, генератора 8 развертки и магнитной отклоняющей системы 9. Рассмотрим принцип действия каждого из этих узлов подробнее. Электронно – лучевая трубка, являясь базовым элементом индикатора кругового обзора, предназначена для формирования картины облучаемого участка земной поверхности на экране этой трубки (рис.3.79, б). Поскольку данная картина является яркостной, это означает, что яркость любой точки на экране должна быть пропорциональна интенсивности сигнала, принятого от соответствующей точки земной поверхности. Для осуществления указанной однозначности электронный луч, создаваемый внутри электронно – лучевой трубки, следует промодулировать по яркости в соответствии с видеосигналом с выхода радиоприемного устройства. Данная операция осуществляется путем подачи этого видеосигнала на управляющий электрод электронно – лучевой трубки.

Генератор развертки представляет собой генератор пилообразного напряжения . Он предназначен для создания на экране электронно – лучевой трубки так называемой развертки по дальности. Это означает, что светящаяся точка, образуемая на экране электронным лучом, должна равномерно перемещаться в радиальном (от центра экрана к его периферии) направлении, и каждое положение данной точки должно соответствовать дальности R до определенной точки земной поверхности. Иными словами, весь диапазон измеряемых дальностей обязан укладываться на длине радиуса экрана – в таком случае говорят о наличии на экране развертки по дальности. Движение светящийся точки по экрану выполняется с помощью пилообразного напряжения , подводимого от генератора развертки к центральному электроду электронно – лучевой трубки. Равномерность смещения светящейся точки по экранному радиусу обусловлена линейностью (чем лучше линейность, тем равномернее движется светящаяся точка) пилообразного напряжения , амплитуда этого напряжения должна быть согласована с максимальной величиной (радиуса экрана) отклонения, а периодичность развертки задается периодом следования пилообразного напряжения. Величина вырабатывается синхронизатором 1 и равняется периоду повторения излучаемых радиоимпульсов, (типовые значения лежат в пределах 1…5 млС).

Магнитная отклоняющая система (рис.3.85, б) представляет собой совокупность двух пар взаимно – перпендикулярных обмоток (катушек индуктивности), находящихся на сердечнике, выполненном из ферромагнитных сплавов. Данная магнитная отклоняющая система неподвижно закреплена на электронно – лучевой трубке и предназначена для создания на экране развертки по азимуту. Развертка по азимуту означает, что периферийная точка светящегося на экране радиуса (развертка по дальности) должна перемещаться по окружности с той же угловой частотой , с которой происходит вращение антенны, а начальная (находящаяся в центре экрана) точка указанного радиуса должна оставаться неподвижной. При этом линейность радиуса на экране должна сохраняться. Магнитная отклоняющая система выполняет развертку по азимуту путем создания вращающегося (с угловой частотой ) магнитного потока. Этот поток формируется путем так называемой ортогональной запитки обмоток – на первую пару подается переменный ток , ортогональный (сдвинутый по фазе на 90°) по отношению к первому току. Совокупность двух ортогональных (по фазе) токов создает в системе с ортогональными (в пространстве) обмотками вращающийся магнитный поток, который, воздействуя на электронный радиус – луч, заставляет его поворачиваться, формируя развертку по азимуту. При этом данная развертка оказывается (посредством генератора опорного напряжения и двигателя) синхронизированной с вращением антенны.

В итоге, совокупность трех одновременно действующих на электронный луч факторов (модуляция по яркости, развертка по дальности, развертка по азимуту) приводит к тому, что на экране индикатора кругового обзора формируется яркостное изображение облучаемой зоны земной поверхности. При этом определение азимутального угла точки, выбранной на облучаемой поверхности, производится по кольцевой шкале, на которой нанесены азимутальные измерительные метки. Указанная кольцевая шкала располагается на индикаторе, будучи закрепленной вокруг экрана электронно – лучевой трубки. Что касается измерения дальности выбранной точки, то для этой цели используется генератор 10 масштабных меток.

Генератор масштабных меток представляет собой устройство, вырабатывающее периодическую последовательность видеоимпульсов малой длительности. Период следования этих видеоимпульсов может переключаться извне – в зависимости от того, какой именно интервал дальностей хочет посмотреть оператор. Указанные видеоимпульсы поступают (на рис.3.85, а показаны два варианта подключения) на электронно – лучевую трубку, в результате чего на экране индикатора кругового обзора появляются яркие концентрические окружности. Поскольку радиальные расстояния между ними известны (они задаются оператором), то радиусы данных окружностей в определенном масштабе характеризуют ту или иную дальность, и поэтому совокупность этих окружностей называется кольцами дальности. (рис.3.86.). Так работает индикатор кругового обзора панорамной РОЗ.

Следует отметить, что при продольном и поперечном кренах самолета сечение диаграммы направленности плоскостью земной поверхности перестанет быть круговым, а примет эллиптическую форму. Следовательно, появятся ошибки в измерении азимута, поскольку длины дуг данного эллипса, попавших в пределы диаграммы направленности, будут различными при одинаковых значениях азимутов. Чтобы избежать искажения карты местности на экране индикатора кругового обзора, выполняют вертикальную стабилизацию оси вращения антенны, и это усложнение оказывается одним из недостатков панорамных РОЗ.

Другим недостатком панорамных РОЗ является необходимость (для осуществления максимального обзора пространства под самолетом) размещения антенны за пределами фюзеляжа (или крыла) самолета, что создает дополнительное аэродинамическое сопротивление при полете.

Поиск по сайту: