Особенности построения и тенденции инновационного развития радиолокационных станций (РЛС)

Современные радиолокационные станции представляют собой сложные электронно-механические устройства, выполняющие широкий спектр задач.
 
Рассмотрим классификации, особенности структуры и принципы разработки компоновочных решений РЛС.
 
Основная, общая классификация радиолокационных систем может быть выполнена по характеру локации и представлена следующим образом (рис. 1):
• активные;
• вторичной локации (с активным ответом);
• пассивные;
• активно-пассивные.
 
Наиболее часто применяются станции с активной радиолокацией. Станции с активной
радиолокацией выполняют задачи обнаружения целей различных классов за счет зондирования пространства и обработки полученного пассивного вторичного излучения. В связи с этим РЛС в своем составе обязательно имеет передающее и приемное устройства, размещенные на одной позиции (однопозиционные или совмещенные) или разнесенные в пространстве (многопозиционные).
 
Системы вторичной локации применяют как раздельно, так и совместно с активными системами. Подобно активным радиолокационным системам, в их состав входят передающие и приемные устройства, однако необходимо иметь в виду, что вторичное излучение активно формируется самим объектом, что отражается на технических характеристиках РЛС.
 
В пассивных системах РЛС используются собственные излучения элементов цели, и из структуры РЛС исключается передающее устройство. Пассивные системы РЛС могут применяться совместно с активными, образуя активно-пассивные системы.
 
РЛС классифицируются по следующим признакам:
• по месту установки – наземные, авиационные, автомобильные, службы обеспечения безопасности движения, космического базирования;
• по назначению – РЛС обнаружения целей, управления оружием, обеспечения полетов, метеорологические, навигационные, опознавания государственной принадлежности, многофункциональные;
• по диапазону длин волн – РЛС декаметрового, метрового, дециметрового, сантиметрового, миллиметрового диапазона длин волн, многодиа пазонные;
• по числу измеряемых координат – трех-, двух-, однокоординатные РЛС;
• по числу занимаемых позиций – однопозиционные и многопозиционные РЛС [3].
 
Рассмотрим обобщенную структурную схему простейшего активного однопозиционного импульсного радиолокатора (рис. 2).
 
Импульсный радиопередатчик формирует последовательность зондирующих импульсов.
Антенный переключатель обеспечивает коммутацию приемного устройства и импульсного радиопередатчика на одну антенну. Приемное устройство обеспечивает прием и преобразование поступающих радиосигналов для последующей обработки. Важной частью указанной схемы является устройство синхронизации, основная
задача которого – согласование работы передающего и приемного устройств и других элементов локатора по времени.
 
В настоящее время обработка данных в радиолокационных станциях ведется в цифровой форме, поэтому под индикаторным устройством можно понимать аналого-цифровые преобразователи и вычислители или цифровые сигнальные процессоры, а так же устройства вывода локационной информации.
 
В зависимости от принадлежности РЛС к классификационным группам, структурная схема (рис. 2), очевидно, также преобразуется. Это можно проследить на примере классификации РЛС по характеру локации (рис. 1). В многопозиционных и пассивных РЛС антенный переключатель не требуется – для первого случая по причине пространственного разнесения приемного и передающего устройств, а значит, наличия нескольких антенн, – а для второго в связи с отсутствием передающего устройства.
 
Современные радиолокационные системы, как правило, имеют сложную структуру и объединяют в своем составе радиолокаторы различного назначения. Непременной частью перспективных разработок РЛС является система вторичной локации, дополняющая активную.
 
Для обеспечения безопасности воздушного транспорта ведутся разработки систем так называемого активного зависимого наблюдения – совмещенной системы пассивной и вторичной локации: воздушное судно в режиме реального времени передает свои данные как по запросу с земли, так и без запроса.
 
Задачи получения радиолокационной информации удаленными пользователями решаются
применением выносных индикаторных постов, а построение сети РЛС значительно повышает характеристики системы.
 
Применение РЛС с активными фазированными антенными решетками (АФАР) в качестве приемной и передающей антенн позволяет наиболее эффективно решать задачи обнаружения целей и получения радиолокационной информации с высокой точностью, ввиду возможности формирования диаграмм направленности произвольной формы, а также многолучевых Специфика радиолокационных станций с АФАР различных видов неизбежно отображается на их структуре: передающее и приемное устройства совмещаются в приемо-передающий модуль (рис. 3), множество которых формирует апертуру антенны. Под апертурой понимают излучающую или принимающую поверхность антенны.
 
Приемо-передающие модули АФАР в обязательном порядке имеют в своем составе усилители и устройства управления фазой и амплитудой сигнала для формирования сканирующего луча. Применение цифровых технологий АФАР, а особенно цифровых антенных решеток (ЦАР) расширяет возможности помехозащищенности. Устройства управления амплитудой и фазой в приемо-передающих модулях ЦАР отсутствуют, а управление диаграммой направленности осуществляется цифровыми методами.
 
Радиоэлектронные средства специального назначения, к которым относятся РЛС, разрабатывают на основе базовой модели стандартизированных несущих конструкций (рис. 4).
 
В соответствии с ГОСТ Р 52003-2003, уровни разукрупнения радиоэлектронных средств подразделяют по исполнению на модульные и немодульные.
 
Модульный метод предполагает структуру радиоэлектронных средств на основании электронных модулей – конструктивно и функционально законченных электронных устройств. Магистрально-модульный метод подразумевает разработку конструктивно и функционально завершенных радиоэлектронных средств с использованием рациональной структуры соединений и коммутации и обеспечивающий взаимозаменяемость их составных частей.
 
Немодульный метод предполагает иерархическое построение всей структуры: ячейка, блок, шкаф, выполненное на основе несущей конструкции соответствующего уровня [1].
 
Несмотря на то, что радиоэлектронные устройства в конструкторской документации
обозначаются как ячейки, блоки или приборные шкафы, в разрабатываемых в настоящее время конструкциях радиоэлектронных систем применяют модульной метод. Особенно это характерно для устройств сверхвысоких частот (СВЧ), где в силу необходимости обеспечения электромагнитной совместимости и стойкости к внешним воздействиям функциональные единицы выполняют конструктивно и функционально завершенными, то есть они представляют собой электронные модули.
 
Миниатюризация изделий электронной техники позволяет конструктивно объединить приемные или передающие радиоэлектронные устройства в единый конструктив – моноблок.
 
Основные принципы функциональных и конструктивно-технологических решений современных РЛС можно оценить, рассматривая тенденции, определяющие перспективные направления развития современных радиолокационных станций:
• автоматизация обработки сигналов и построения трасс целей;
• многорежимное зондирование с эффективным использованием когерентности сигналов;
• адаптация к помеховой обстановке за счет сочетания различных видов селекции;
• сочетание различных типов антенн, для обеспечения высоких технических арактеристик
и удешевляющих РЛС;
• повышение надежности за счет автоматизации диагностики неисправностей;
• переход к дистанционному контролю РЛС;
• расширение полосы частот РЛС [2]. На основании новых аппаратных и алгоритмических структур могут быть реализованы следующие принципы построения РЛС:
• рациональное распределение энергетического потенциала радиоэлектронного средства по пространству и решаемым задачам;
• адаптивность работы к складывающейся целевой и помеховой обстановке;
• многофункциональность, то есть способность одновременно решать большое количество разнородных задач ограниченным числом функциональных компонентов [2].
 
Для РЛС специального назначения также выдвигаются требования максимальной скрытности и живучести, минимального времени развертывания. Немаловажное значение имеют эксплуатационные характеристики: долговечность, удобство обслуживания.
 
В основе перспективных способов достижения высоких характеристик современных РЛС лежат следующие принципы:
• комплексирование информации;
• адаптивное использование различных источников информации;
• многопозиционное получение и обработка информации;
• комбинирование средств пассивной, активной и вторичной локации;
• унификация и стандартизация радиоэлектронной аппаратуры и интерфейсов;
• использование новых разработок в области СВЧ-техники [2].
 
Основное направление развития перспективных РЛС состоит в дальнейшем увеличении роли цифровых устройств и методов обработки сигналов. В настоящее время в радиолокационных станциях вся первичная обработка информации ведется в цифровом виде. Параметры обработки цифровых устройств превосходят аналоговые и не зависят от
времени и температуры.
 
Уровень развития современной микроэлектроники позволяет проводить аналого-цифровое
преобразование на таких высоких скоростях, что перенос частоты сигнала не требуется. Для РЛС с АФАР идея цифрового приемного устройства особенно перспективна. В прямой дискретизации высокочастотного сигнала кроется масса преимуществ: исключаются преобразователи частоты, гетеродин, несколько каскадов усиления и фильтрации.
 
Управление частотными, амплитудными и фазовыми характеристиками будет осуществляться в цифровом виде, и аналоговые устройства, чувствительные к регулировке и внешним факторам, а также требовательные к условиям производства не требуются, в результате упрощается структура фазированной решетки, открываются огромные перспективы в формировании диаграмм направленности. В то же время ужесточаются требования к входным цепям, первичным каскадам усиления и фильтрации, которые не могут быть исключены из приемного тракта, так как для аналого-цифрового
преобразования с наименьшими искажениями необходимо выполнение соответствующих условий. Все вышеперечисленные направления и принципы разработок современных РЛС требуют адекватного развития конструктивно-технологических решений производства радиоэлектронных систем.
 
Развитие технологий элементной базы микроэлектроники открывает широкие перспективы применения модульных принципов построения функциональных узлов РЛС. Это связано с общей тенденцией миниатюризации компонентов и разработками монолитных интегральных схем различного назначения с широким диапазоном рабочих частот. Модульные принципы применяются не только к радиоэлектронным единицам РЛС, в полной мере применение этих принципов относится и к чисто механическим, и электромеханическим составным частям радиолокатора.
 
Существенная роль в микроэлектронных устройствах РЛС отводится взаимному влиянию миниатюризации электронных компонентов и автоматизации производственных процессов, в частности, автоматизированного монтажа элементов на печатные платы, так как габаритные размеры отдельных компонентов стали настолько малы, что полностью исключают ручную сборку. Конструктивные решения радиоэлектронных устройств, в особенности сверхвысоких частот, должны удовлетворять требованиям электромагнитной совместимости. Комплексирование в составе одной конструктивно завершенной функциональной единицы устройств различного назначения, в особенности выполненных на современных МИС, требует решений минимизации их взаимного влияния. Для СВЧ устройств эти проблемы решаются в основном методом экранирования, то есть конструктивным разделением объектов, между которыми возможно возникновение
паразитных связей.