Хотя в основе самого наименования «радиолокационная станция» лежит аббревиатура английских слов «обнаружение и измерение дальности с помощью радио» (radiodetectionandranging – radar), однако радиолокационная станция позволяет получить больше информации о цели, чем это заложено в ее названии.
Обнаружение цели – это установление факта ее наличия в данной точке пространства, обследуемого РЛС. Можно рассматривать обнаружение вне зависимости от процесса извлечения информации, но редко нас интересует лишь сам факт наличия цели без информации о ее свойствах или положения в пространстве. Следовательно, выделение полезной информации о цели представляет собой важную часть функционирования РЛС.
Рассмотрение обнаружения вне зависимости от получения информации не означает, что между этими процессами нет никакой связи. Извлечение информации в общем случае требует оптимальной обработки с помощью согласованного фильтра или эквивалентного ему устройства. Чем больше информации о цели известно априори, тем эффективнее обнаружение. Если, например, расположение цели известно, то антенну можно установить в нужном направлении, чтобы напрасно не тратить энергию и время на обследование пустого пространства. Или если известна относительная скорость движения цели, то приемник можно заранее настроить на частоту, соответствующую частоте принимаемого сигнала, при этом отпадает необходимость исследовать более широкий диапазон доплеровских частот. Доплеровский сдвиг частоты, обусловленный перемещением самолетов, обычно мал по сравнению с шириной спектра радиолокационного сигнала, поэтому в большинстве случаев расширять полосу пропускания приемника нецелесообразно. Доплеровский сдвиг частоты, характерный для космических целей (например, для спутников), часто настолько велик, что отраженный сигнал может не попасть в полосу пропускания приемника. Доплеровский сдвиг частоты имеет существенное значение и при наблюдении целей с меньшими скоростями, если используются РЛС непрерывного излучения.
Когда доплеровский сдвиг частот велик и неизвестен, то полоса пропускания приемника должна быть расширена, чтобы пропускать сигналы во всем диапазоне возможных доплеровских сдвигов частоты. Расширение полосы приводит к рассогласованию фильтра и уменьшению чувствительности приемника. Чтобы избежать этих потерь в чувствительности, можно использовать перестраиваемый для нахождения истинного значения частоты фильтр, который согласуется с принимаемым сигналом. Недостатком такого метода является увеличение времени наблюдения. Более эффективный метод обнаружения сигнала с неизвестным доплеровским сдвигом – использование набора фильтров, каждый из которых согласован с различными значениями неизвестной частоты, причем этот набор перекрывает весь диапазон неопределенности по частоте. Когда сигнал появляется в какой-либо точке доплеровского диапазона частот, сигнал на выходе одного из фильтров будет больше, чем на выходах остальных фильтров. При этом осуществляется не только эффективное обнаружение, но и определение неизвестного доплеровского сдвига частоты. Такую процедуру можно применить и к другим неизвестным параметрам (ускорению, углу, поляризации), вводя дополнительные согласованные фильтры для каждого независимого значения неизвестного параметра. (Набор согласованных фильтров для определения угловых параметров можно представить в виде многолучевой антенны, перекрывающей интересующий нас объем в угловых координатах, причем на каждый независимый луч выделяется отдельный приемник). Наличие дополнительных согласованных фильтров приводит к увеличению вероятности ложной тревоги, но его можно скомпенсировать небольшим увеличением порогового уровня обнаружения в приемнике.
Дальность. Способность определять дальность, измеряя время распространения сигнала до цели и обратно, является, видимо, основной и наиболее важной характеристикой обычной РЛС. Относительно простые наземные РЛС позволяют без труда измерять дальность до самолета с точностью до малой доли километра по дальностям, ограниченным только областью прямой видимости (обычно до 300 – 500 км). Существует достаточно много примеров того, что РЛС позволяет измерять межпланетные расстояния приблизительно с такой же точностью. На меньших расстояниях измерить дальность можно с точностью порядка нескольких десятков сантиметров.
Обычный радиолокационный сигнал для измерения дальности представляет собой короткий импульс. Чем короче импульс, тем точнее можно измерить дальность. Сформировать короткий импульс с высокой энергией часто непростая задача, так как с укорочением импульса возрастает его пиковая мощность. Другой путь решения этой задачи основан на применении метода сжатия импульсного сигнала. При таком методе излучается радиоимпульс большой длительности, но с широким спектром, свойственным требуемому короткому радиоимпульсу; для расширения спектра длинного радиоимпульса производится его внутриимпульсная модуляция (обычно по частоте или по фазе) или применение шумоподобных сигналов, полученных иным способом. При приеме же внутриимпульсная модуляция снимается, что приводит к соответствующему сжатию его во времени, в результате чего длинный радиоимпульс трансформируется в короткий.
Описанный метод позволяет при ограниченной пиковой мощности передатчика получать сигналы с большей энергией, чем при использовании коротких импульсов. При одинаковой ширине спектров излучаемых сигналов сложные сигналы со сжатием сохраняют характеристики разрешения, приблизительно эквивалентные характеристикам коротких радиоимпульсов. Когда разрешение целей по дальности не имеет значения, как например, при наличии только одной цели, сигналы в виде непрерывных колебаний, модулированные соответствующим образом по частоте, или с соответствующими боковыми полосами, могут обеспечить очень точное измерение дальности. Измерение дальности с помощью непрерывных сигналов широко применяется в самолетных радиовысотомерах и устройствах картографирования местности.
Относительная скорость. Последовательные измерения дальности позволяют определить скорость изменения дальности до цели со временем, или относительную скорость. Измерение доплеровского сдвига частоты, вызываемого движущейся целью, также позволяет определить ее относительную скорость. Если можно использовать оба метода, то обычно предпочитают применять последовательное измерение дальности, так как при этом достигается более точное измерение за более короткое время. Любое измерение скорости требует конечного времени. Чем больше время измерения, тем выше точность при условии, что отношение сигнал-шум (правильнее, отношение энергии сигнала к мощности шума на единицу полосы частот) остается неизменным. Хотя доплеровский сдвиг частоты используется в некоторых случаях для измерения относительной скорости (например, в таких различных случаях, как полицейские измерители скорости движения автомашин и РЛС для обнаружения спутников), этот эффект, вероятно, более широко используется для выделения движущихся целей на фоне стационарных помех от местных предметов. Примером могут служить РЛС с СДЦ, самолетные РЛС с СДЦ, импульсно-доплеровские РЛС и РЛС с непрерывным излучением.
Угловые координаты цели. Направление на цель, т. е. угловые координаты цели, определяется измерением угла падения фронта отраженной волны на антенну РЛС. Обычно этот угол измеряется с помощью направленной антенны. При этом положение антенны, при котором принимаемый сигнал максимален, называется направление на цель. В этом случае, как и при использовании других методов измерения углового положения цели, считаем, что влияние атмосферы не искажает прямолинейное распространение радиоволн.
Направление фронта падающей волны можно определить также, измерив разность фаз сигналов, принимаемых двумя разнесенными приемными антеннами. Разность фаз зависит от угла, образованного фронтом падающей волны и линией, соединяющей две антенны. При этом, чем больше расстояние между антеннами, тем выше точность измерения. К сожалению, однако, если антенны разнесены на очень большое расстояние, то в результирующей диаграмме направленности этой составной антенны появляются боковые лепестки, равные по величине главному лучу, что приводит к неоднозначности измерений. В моноимпульсной РЛС, использующей метод сравнения амплитуд (суммарно-разностный метод), для определения угловой координаты применяются по две антенны в каждой плоскости (или два облучателя на единственный отражатель). В этом случае благодаря тому, что расстояние между двумя антеннами меньше длины волны, удается избежать неоднозначности измерений, вызываемой главными и боковыми лепестками. В моноимпульсной РЛС, использующей метод сравнения фаз, две антенны разнесены на расстояние, значительно превышающее длину волны, при этом подавление боковых лепестков происходит благодаря направленности отдельных антенн РЛС, у которой две антенны разнесены настолько далеко, что боковые лепестки не подавляются, получила название радиоинтерферометра. Иногда на практике неоднозначность измерений, характерная для радиоинтерферометров, допустима, хотя следует заметить, что разработаны методы снятия этой неоднозначности.
Обычные измерения угла прихода волнового фронта или направления на цель не являются, строго говоря, радиолокационными измерениями, если под таковыми понимать измерения, полученные путем сравнения отраженного сигнала с передаваемым. При угловых измерениях используется только один приходящий сигнал, и такие измерения являются неотъемлемой функцией почти всех радиолокационных станций.
Размер цели. Амплитуда эхосигнала связана с размерами цели, но связь эта не всегда простая и это не позволяет производить надежные количественные измерения. Измерение амплитуды обычно не вызывает затруднений, и ее значение можно использовать для грубой качественной оценки размеров цели. Так как эхосигналы от большинства радиолокационных целей быстро флуктуируют при небольших изменениях угла наблюдения, то хорошую оценку размера цели нельзя получить на основе единичного замера эхо-сигнала. Для улучшения оценки находят среднее значение за достаточно большой промежуток времени.
Если РЛС разрешает элементы, размеры которых существенно меньше размеров цели, то размеры цели можно определить. Так как размеры многих интересующих нас целей невелики (порядка 10 м), то для их измерения таким методом необходимо разрешение порядка 1м или даже меньше. Такие характеристики разрешения достижимы при измерении дальности, хотя и это не всегда легкая задача, особенно если цель находится на большой дальности. При использовании обычных антенн в том диапазоне дальностей, который характерен для большинства РЛС, угловое разрешение имеет худшие характеристики, чем указанные. При использовании антенны с синтезированной апертурой (об этом будем говорить позже) можно добиться существенного улучшения характеристик углового разрешения. Такой метод особенно удобен при картографировании темной поверхности с самолета.
Еще один метод, дающий представление о размерах цели, состоит в измерении зависимости амплитуды эхосигнала от частоты. Характер флуктуации при изменении частоты для фиксированного положения цели обычно связан с ее размерами. Кроме того, оценку размеров цели можно получить, рассматривая зависимость характера флуктуации от положения цели при фиксированной частоте.
Форма цели. Если волна плоская и поле, рассеянное целью, измерено во всех направлениях, то можно определить распределение токов, возбужденных на цели падающей полной. Эти данные позволяют оценить форму цели (голография). Однако полное измерение рассеянного поля вряд ли можно осуществить на практике, если это вообще возможно. Измерение рассеянного поля в некоторой конечной области пространства позволяет получить некоторую информацию о форме цели. Чем больше область измерения, тем ближе к истине полученные данные. Для полноты информации необходимо измерять и амплитуды, и фазы всего рассеянного поля.
РЛС с синтезированной апертурой в общем случае позволяет получить информацию о форме цели. Принцип действия этой РЛС требует, чтобы цель (цели) была неподвижна или перемешалась с известной скоростью, а РЛС перемещалась относительно цели. Если цель вращается относительно РЛС, эквивалентные результаты можно получить для характеристик углового разрешения. Так как при движении вращающейся цели каждая ее точка перемещается с различной скоростью, то сигналы, отраженные от различных частей цели, имеют различные доплеровские сдвиги частоты. При достаточном разрешении по доплеровской частоте можно разрешать различные участки цели. Этот метод при хорошем разрешении по дальности позволяет получить двумерное изображение цели. Для получения изображения цели в правильном масштабе должна быть известна скорость вращения тела. Если она неизвестна, то истинный масштабный коэффициент по угловой координате и, следовательно, истинное соотношение размеров изображения определить нельзя.
Соотношение характеристик рассеянных полей для разных поляризаций облучающего сигнала позволяет оценить асимметрию цели. Измерения, произведенные при помощи сигналов с ортогональными поляризациями, позволяют различать цели с различными соотношениями основных измерений, т.е. отличать, например, сферы от стержней или самолеты от дождевых капель.
Одной из характеристик формы цели является наличие неровностей или шероховатости ее поверхности. Это свойство играет особенно важную роль при изучении эхо-сигналов от земной поверхности или от моря. Шероховатые цели рассеивают падающую электромагнитную энергию диффузно, гладкие цели отражают зеркально. Исследуя характер эхосигнала в зависимости от угла падения волнового фронта на объект, можно узнать, шероховатая цель или гладкая. Шероховатость поверхности – относительное понятие, зависящее от длины волны облучающего сигнала. Поверхность, которая кажется шероховатой при одной длине волны, может показаться гладкой при облучении сигналами с большей длиной волны. Таким образом, еще один метод для определения шероховатости поверхности состоит в изменении частоты облучающего сигнала и фиксация момента перехода от зеркального отражения к диффузному рассеянию.
Дополнительная информация о цели. Вибрация цели или вращение пропеллеров самолета модулируют эхосигнал и могут быть определены по его спектральному анализу. В некоторых частных случаях тщательные измерения эхосигнала позволяют оценить коэффициент отражения рассеивающей поверхности и получить представление о диэлектрических свойствах рассеивающей поверхности. Рассеивание сигнала на ионизированных или плазменных образованиях (например, на ионизированных образованиях в ионосфере, на Солнце или в плотных слоях атмосферы, ионизируемых космическим объектом) позволяет получить информацию о конкретной природе ионизированной цели.