16 декабря, 2012

Максимальная эффективность при ограниченной стоимости на реализацию и эксплуатацию

Радиолокация (от латинских locus – место и radio – излучение) – это область науки и техники, предметом которой является наблюдение различных объектов радиотехническими методами. Радиолокация предполагает получение информации об объектах (обнаружение, определение координат и параметров движения, распознавание) посредством приема и анализа радиоволн, отраженных, переизлученных или излученных объектом.

В основе радиолокации лежат отдельные физические принципы: прямолинейное распространение радиоволн с постоянной скоростью в однородных изотропных средах, отражение радиоволн от неоднородностей среды, возможность концентрации электромагнитной энергии (ЭМЭ) в узкий пучок с помощью антенн, изменение частоты отраженного сигнала от подвижного объекта (эффект Доплера).

Радиолокационные станции (РЛС) и комплексы (РЛК), реализующие указанные выше принципы, с начала 1940-х гг. и до настоящего времени являются основным источником информации о воздушных объектах (ВО). Первые опыты относительно возможности применения ЭМЭ для обнаружения ВО в нашей стране были проведены в середине 1930-х гг., первые промышленные образцы РЛС приняты на вооружение в начале 1940-х. Тогда же были разработаны общие принципы импульсного метода радиолокации, на основании которого построено абсолютное большинство современных РЛС.

В основу импульсного метода положены принцип излучения кратковременного направленного потока ЭМЭ в определенную область пространства, прием отраженной от неоднородностей на трассе распространения ЭМЭ, привязка по времени отраженного сигнала, сравнение его с порогом обнаружения, принятие решения о наличии сигнала, определение координат отраженного сигнала и дальнейшая обработка полученной первичной информации.

Дальность обнаружения ВО при импульсном методе радиолокации зависит от многих факторов, основными из которых являются параметры отдельных устройств РЛС (прежде всего это мощность передающего устройства, коэффициент усиления антенной системы – АС – на передачу и эффективная площадь приемной антенны, чувствительность приемного устройства) и отражательные свойства ВО (эффективная поверхность рассеивания в кв. м).

Для достижения требуемой дальности обнаружения ВО, повышения точности измерения угловых координат (азимута и угла места) необходимо создавать согласованную и сбалансированную систему, состоящую из передающего устройства, передающей антенны, приемной антенны и приемного устройства. Современные технологии позволяют создавать совмещенные передающие и приемные антенны, что упрощает и удешевляет РЛС в целом. Однако физические принципы формирования диаграмм направленности (ДН) требуемой формы с определенными параметрами не всегда реализуемы совмещенными передающими и приемными АС.

Антенные системы – наиболее сложные в изготовлении и эксплуатации устройства РЛС, подвергаемые воздействиям различных природных и техногенных факторов. Конструктивные особенности их реализации являются доминирующим демаскирующим фактором, позволяющим определять основные параметры РЛС.

Один из типов АС – фазированные антенные решетки (ФАР). ФАР представляет собой АС, состоящую из группы однотипных излучателей, определенным образом размещенных на апертуре АС. Амплитуда и фаза сигнала для каждого излучателя зависит от его места в антенной решетке и вида амплитудно-фазового распределения (АФР), формируемого на апертуре.

Вид АФР на передачу и прием может быть различным для достижения определенных параметров передающей и приемных ДН. Для передающей АС основным параметром является коэффициент усиления при заданных пространственных параметрах ДН, для приемной АС необходимо минимизировать уровни боковых лепестков ДН. Изменяя по определенному закону набег фазы для каждого излучателя, можно изменять форму ДН, положения ее максимумов и минимумов.

Фазированная антенная решетка всевысотного обнаружителя, придаваемого ЗРС С-400 «Триумф»
Фото: Илья МОИСЕЕНКО

В настоящее время переход на цифровую форму обработки первичной и вторичной радиолокационной информации привел к тому, что современная РЛС по сути является ФАР с системой цифровой обработки и отображения информации (СЦООИ). Многократно возросшие возможности вычислительной техники, используемые в СЦООИ, практически исключают влияние оператора на качество получаемой информации. В такой ситуации повышение боевых возможностей современных и перспективных РЛС, работающих на традиционных принципах, возможно лишь за счет повышения характеристик ФАР. Проведем краткий экскурс в историю применения ФАР в РЛС РТВ.

Наиболее распространенный импульсный метод радиолокации требует генерирования мощного импульсного сигнала, который в АС преобразуется в направленный поток ЭМЭ, излучаемый в заданную область пространства. Область пространства, в пределах которой возможно обнаружение ВО, называется зоной обзора, а область пространства, в пределах которой возможно обнаружение с требуемым качеством, называется зоной обнаружения (ЗО). ЗО зависит, как уже было указано, от параметров АС и передающего устройства в том числе.

Для достижения дальности обнаружения в сотни километров требуется импульсная мощность в десятки, сотни и тысячи киловатт. Исторически так сложилось, что первые мощные импульсные передающие устройства были разработаны в метровом диапазоне волн.

Для указанного диапазона волн основной АС являются полуволновые вибраторы в различном исполнении. Наиболее совершенная антенна из них – директорная типа «волновой канал» (антенна Удо-Яги). Разновидности антенн этого типа используются в РЛС с начала практического применения радиолокации до настоящего времени.

Первые серийные РЛС, появившиеся в нашей стране в начале 1940-х гг., работали в метровом диапазоне волн и имели антенны типа «волновой канал». Такими АС обладали РЛС РУС-1, РУС-2, П-3, П-3А.

Невысокая разрешающая способность и недостаточный коэффициент усиления данного типа антенн привели к необходимости создания АС из некоторой совокупности однотипных излучателей типа «волновой канал». При когерентном сложении в пространстве ЭМЭ получалась АС с улучшенными характеристиками. АС такого типа можно было считать прообразом ФАР, ведь они позволяли когерентно сложить в пространстве ЭМЭ нескольких излучателей, изменять пространственное положение максимумов и провалов в ДН.

Естественным продолжением ряда станций метрового диапазона волн стали РЛС типа П-8, П-10, П-12, П-18. Они имели антенные решетки с элементарными излучателями типа «волновой канал», амплитудное и фазовое распределение между элементами которых задавалось делителями мощности и длиной фидера. Практически это ФАР с фиксированным значением набега фазы между элементами решетки.

Особенности распространения ЭМЭ метрового диапазона волн накладывают определенные ограничения на конструкцию АС. Земная поверхность в указанном диапазоне имеет ярко выраженные отражательные свойства, в результате чего ВО облучается прямой ЭМЭ от РЛС и отраженной от земной поверхности. Интерференция в пространстве этих двух направленных потоков ЭМЭ приводит к появлению ярко выраженных максимумов и минимумов под определенными углами места.

В результате диаграмма направленности в угломестной плоскости носит явно выраженный лепестковый характер с практически удвоенной дальностью обнаружения в направлениях максимумов и нулевой дальностью в направлениях минимумов. Увеличение дальности обнаружения – это благо, однако провалы в ЗО недопустимы. Для устранения указанного эффекта применяют несколько (минимум две) антенных подрешеток, разнесенных по высоте. В результате направления максимумов одной подрешетки накладываются на минимумы другой подрешетки и наоборот. Изменяя набег фазы между элементами горизонтальных подрешеток, можно изменять угломестное направление максимумов, формировать под определенным углом места провал для измерения высоты ВО по пропаданию сигнала. Использование нескольких горизонтальных подрешеток с управляемым набегом фазы между ними позволяет формировать в угломестной плоскости ДН требуемой формы и управлять ею.

РЛС «Небо-СВУ»
Фото: Алексей МАТВЕЕВ

Наиболее совершенную конструкцию АС имела РЛС П-18, принятая на вооружение в 1968 г. и выпущенная партией в несколько тысяч экземпляров. Ее АС состоит из 16 «волновых каналов», конструктивно объединенных в две горизонтально разнесены подрешетки. Эффективная площадь АС П-18 достигает 50 кв. м. РЛС П-18 в настоящее время находится на вооружении РФ и ряда стран ближнего и дальнего зарубежья, глубоко модернизируется заменой лампового передающего устройства на твердотельное, установкой современной СЦООИ.

Следующим образцом, развивающим АС указанного диапазона, стала РЛС 1Л-13 «Небо-СВ», принятая на вооружение в 1986 г. и имевшая антенную решетку из 72 излучателей, конструктивно размещенных в четыре строки по 18 элементов. Дальнейшая модификация привела к созданию в начале 2000-х годов антенной решетки РЛС 1Л-119 «Небо-СВУ», имеющей шесть строк по 14 элементов. Особенностью последней решетки является использование активных приемно-передающих модулей (ППМ), размещенных непосредственно на апертуре антенной системы и работающих непосредственно на индивидуальный излучатель (всего 84 ППМ).

Антенная система РЛС 1Л-119 представляет собой классическую активную цифровую ФАР, имеющую в своем составе активные ППМ с возможностью изменения фазы в каждом элементе на прием и передачу, систему управления фазой каждого элемента, цифровой выход. Последнее позволяет формировать необходимое количество пространственных каналов обработки информации в цифровом виде и управлять их параметрами и положением в пространстве.

Классический пример использования ФАР с фиксированным АФР – антенные системы РЛС типа 55Ж6 «Небо», 55Ж6-У «Небо-У», эффективная площадь их АС достигает 140 кв. м. Появившиеся в начале 1980-х гг. указанные антенные системы реализовали все преимущества и имели все недостатки антенных решеток метрового диапазона волн. Горизонтальная решетка из 27 шестиэлементных подрешеток с неравномерным фазовым и спадающим к краям амплитудным распределением реализована на пассивных делителях мощности. Набеги фаз обеспечиваются длиной подводящих фидеров.

Дальнейшее развитие ФАР в метровом диапазоне реализуется на базе активных ППМ. Перспективная РЛС данного диапазона имеет ФАР из более чем 150 ППМ с цифровым выходом, что позволяет формировать активные передающие, пассивные первичные и вторичные приемные каналы с требуемыми параметрами и ориентацией в пространстве в цифровой форме с дальнейшей временной когерентной обработкой информации. Современная СЦООИ позволяет совмещать первичную и вторичную информацию от нескольких разнодиапазонных модулей, выдавать ее различным потребителям, формировать разнесенные активно-пассивные системы, в том числе с разностно-базово-корреляционной обработкой.

Полученные в ходе разработок технические решения позволяют реализовывать в рассматриваемом диапазоне РЛС различного предназначения и стоимости при относительно небольших временных и ресурсных затратах.

Развитие РЛС L- и S-диапазонов связано прежде всего с развитием мощных передающих устройств СВЧ-диапазона. Появившиеся в 1940-х гг. ХХ века мощные магнетроны (СВЧ-устройства с замкнутой резонансной системой) предопределили появление целого класса станций, позволявших получать достаточно высокие разрешающие способности по угловым координатам (азимуту и углу места) при приемлемых массогабаритных параметрах АС. Но магнетронный автогенератор при всех достоинствах (простота конструкции, высокая мощность и КПД, относительно невысокая стоимость и простота эксплуатации) имел достаточно существенный недостаток – сложность в получении когерентной импульсной последовательности. Последнее существенно затруднило применение указанного СВЧ-устройства в ФАР.

Разработка мощных усилительных СВЧ-устройств на базе разомкнутых резонансных систем (амплитроны и пролетные клистроны), а также усилительных устройств типа ламп бегущей волны (ЛБВ) и ламп обратной волны (ЛОВ) позволила создать в 1970-х гг. интересные технические решения АС с возможностью когерентного суммирования в пространстве мощности нескольких передающих устройств.

Принятая на вооружение в 1977 г. РЛС 5Н88 «Машук» (серийно не выпускалась) имела передающую АС в виде 64-канального устройства, каждый канал которого заканчивался усилителем мощности и отдельным рупорным излучателем. Суммирование мощности происходило в пространстве. Это был прообраз активной ФАР с возможностью практически мгновенного (единицы микросекунд) изменения положения суммарного луча в пространстве, формирования ДН требуемой формы. Сложность эксплуатации, значительное потребление электроэнергии, большое количество прицепов в комплекте станции (более 70 в полной комплектации), несмотря на достигнутые выдающиеся параметры станции, не позволили производить ее серийно, хотя разработчик (Московский ВНИИРТ) получил богатый опыт в разработке и реализации поистине революционных идей радиолокации.

Антенная система РЛС П-18 состоит из 16 волновых каналов, конструктивно объединенных в две горизонтально разнесенные подрешетки
Фото: Леонид ЯКУТИН

Следующей РЛС, имеющей АС в виде ФАР, была станция 5Н59 (СТ-68), также разработанная Московским институтом ВНИИРТ. Об этой станции достаточно много писали в различных изданиях. Она не получила широкого распространения и не выпускалась серийно по некоторым причинам, в том числе высокой стоимости и достаточной громоздкости для маловысотной РЛС (более 10 прицепов и кабин, в том числе вышка весом несколько десятков тонн с возможностью подъема АС более чем на 20 метров). Однако при построении ее АС были применены интересные технические решения, многоканальная полуактивная на передачу волноводно-щелевая ФАР с возможностью частотного и фазового сканирования в азимутальной и угломестной плоскостях. Разработчики снова получили богатый опыт в разработке и реализации ФАР в более коротковолновом диапазоне волн.

Определенные неудачи в создании РЛС с ФАР вынудили провести ведущими НИИ комплексные НИР, в результате которых были сформированы ТТЗ на разработку перспективных РЛС с ФАР нескольких диапазонов волн различного предназначения, намечены перспективные технологические направления реализации элементов АР с электронным управлением. Интенсивное развитие вычислительной техники позволяло реализовать квазиоптимальные процедуры первичной и вторичной обработки информации (ПОИ и ВОИ). Реализация сформированных и уточненных с учетом технологий развития элементной базы ТТЗ в настоящее время позволяет создавать перспективные станции различного боевого предназначения, различного диапазона высот и длин волн.

Одной из реализаций указанной КНИР стала разработка и принятие на вооружение РЛС 64Л6Е «Гамма-С1Е». В качестве АС в станции применены частично совмещенные пассивная на передачу и полуактивная на прием ФАР S-диапазона с одномерным фазовым сканированием в угломестной плоскости. Размеры передающей и приемной ФАР в вертикальной плоскости различны, что позволяет добиться максимального коэффициента направленного действия (КНД) передающей АР и минимально практически реализуемого уровня боковых лепестков ДН приемной АР при требуемой разрешающей способности в угломестной плоскости. В азимутальной плоскости осуществляется равномерный обзор с заданной скоростью при одновременном последовательном обзоре требуемого угломестного сектора совокупностью взаимно пространственно ориентированных и согласованных передающих и приемных каналов.

Еще одной представительницей, реализовавшей ТТЗ КНИР, стала РЛС 59Н6Е «Противник-ГЕ». ФАР указанной станции реализована в L-диапазоне. Размеры передающей и приемной АР одинаковы. На передачу реализована пассивная ФАР, на прием – полуактивная ФАР с цифровым выходом. Особенности технической реализации позволяют сформировать несколько широких в угломестной плоскости ДН (одновременно одну из возможных) на передачу и веерную многолучевую ДН на прием, то есть осуществить одновременный параллельный обзор пространства в заданном диапазоне углов места. Для упрощения и удешевления конструкции АС в азимутальной плоскости осуществляется равномерный круговой обзор с постоянной скоростью. Многоканальная цифровая ФАР на прием позволяет сформировать в цифровом виде необходимое количество пространственных лучей с различными параметрами, в каждом из которых осуществляются защита от различного рода активных помех, когерентная обработка, обнаружение сигнала. После объединения сигналов пространственных каналов в цифровой форме осуществляется определение угла места и высоты ВО, вторичная обработка информации. В настоящее время РЛС 59Н6Е глубоко модернизируется. Новая ФАР имеет меньшие физические размеры, реализует прежние принципы обзора пространства и формирования пространственных каналов получения и обработки информации, за счет применения новой элементной базы значительно снижены потери при обработке. Современная СЦООИ делает эту РЛС одной из самых современных в мире, имеющей высокий модернизационный потенциал.

Самой интересной из ряда РЛС КНИР является станция 67Н6Е «Гамма-ДЕ». Совмещенная ФАР L-диапазона полностью активная на передачу, полуактивная (в ближайшей перспективе – полностью активная цифровая) на прием. В станции применены транзисторные выходные усилители мощности (ВУМ), что несколько снижает суммарный КПД ФАР.

ДН станции на передачу и прием может сканировать в азимутальной и угломестной плоскости. Реализованные принципы построения ФАР позволяют осуществлять равномерный последовательный и адаптивный обзор заданной области пространства, согласованной в пространстве совокупностью передающих и приемных каналов, осуществлять круговой и секторный просмотр в азимутальной плоскости, производить когерентную обработку информации в заданном азимутально-угломестном направлении.

В перспективе возможно создание активно-пассивных разнесенных в пространстве комплексов, состоящих из работающих в активном, активно-пассивном и полностью пассивном режиме модулей, каждый из которых в автономном режиме работает как обычная РЛС 67Н6Е, а при определенных условиях (применение активных помех подавляющей мощности) переходит в адаптивный по частоте, пространству и мощности активно-пассивный комплекс, работающий под управлением ведущего (активного) модуля, который может адаптивно меняться.

Боевые возможности приведенных выше РЛС РТВ с ФАР позволяют обнаруживать ВО на дальностях в несколько сотен километров и высотах от нескольких метров до сотен километров, летящие со скоростями 3–8 МАХ, определять их координаты, параметры движения и траектории, распознавать принадлежность к одному из классов, выдавать информацию любому потребителю в требуемой форме и объеме.

В настоящее время технологические возможности позволяют реализовать в относительно короткий промежуток времени РЛС различного диапазона волн, боевого предназначения и эшелона высот. Накопленный опыт проектирования и наличие готовых технических решений дают возможность выбрать тип ФАР при заданных тактико-технических требованиях (ТТТ) для РЛС (активная, полуактивная, пассивная на прием и передачу, цифровая активная и т. д.), применить унифицированную СЦООИ, тип исполнения РЛС (мобильная самоходная, мобильная буксируемая, стационарная) и получить готовый образец вооружения, отвечающий самым высоким современным требованиям.

Так, для целеуказания перспективным ЗРПК «Панцирь-С1Е» в достаточно короткий промежуток времени на основе готовых технических решений создана РЛСО 1РЛ123-Е. В качестве АС применена полуактивная твердотельная на передачу и полуактивная цифровая на прием ФАР в L-диапазоне. Использование освоенных в серийном производстве твердотельных выходных усилителей мощности, цифровых сигнальных процессоров обработки информации, перспективных автоматизированных рабочих мест операторов позволило получить станцию с высокими ТТХ, обладающую огромным модернизационным потенциалом.

Бурное развитие микроэлектроники привело к возможности создания массовых и сравнительно дешевых элементов, таких как аналогово-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи. Применение АЦП на выходе каждого излучателя приемной АС позволяет формировать ДН в цифровом виде. В современных РЛС такое устройство реализовано в виде специализированного вычислителя (сигнального процессора) и получило название цифрового формирователя диаграммы направленности (ЦФДН). ЦФДН формирует требуемое количество пространственных каналов обработки информации, в каждом из которых в дальнейшем осуществляется цифровая временная обработка информации (ПОИ, ВОИ, защита от помех, ДПФ и др.).

Метровый диапазон длин волн позволяет осуществлять АЦП непосредственно на несущей частоте, значительно снижая стоимость, габариты и вес, повышая надежность и технические характеристики приемного устройства.

Антенные системы в виде ФАР традиционно развивались более интенсивно там, где требования по точности и скорости сканирования преобладали над стоимостью АС. Многоканальные системы в зенитных ракетных войсках (ЗРВ), системах предупреждения о ракетном нападении (ПРН) и противоракетной обороны (ПРО) традиционно строились на основе ФАР. Важность решения задач, стоящих перед вышеназванными системами, стоимость предотвращенного ущерба при наличии указанных средств разведки и наведения оружия позволяли строить системы по критерию «заданные ТТТ при возможной стоимости реализации». Для РЛС и РЛК РТВ, работающих постоянно и создающих над территорией РФ постоянное радиолокационное поле (РЛП), построение идет по несколько другому критерию – «максимальная эффективность при ограниченной стоимости на реализацию и эксплуатацию». Указанное накладывает некоторые ограничения на качество получаемой от РЛС РТВ информации, превышение задаваемой стоимости не позволяет реализовывать некоторые перспективные решения.

Таков краткий экскурс в историю применения ФАР в РЛС РТВ.

В настоящее время ФАР применяются во всех средствах, имеющих АС, работающих на прием и передачу. Широкие возможности таких антенн позволяют получать средства с новыми свойствами для систем радио- и радиотехнической разведки, радиоэлектронной борьбы (РЭБ), связи и передачи информации. Носители ФАР находятся на земле, на море, в воздухе и космосе. Рассмотренные разновидности ФАР в РЛС РТВ только частично отражают преимущества и перспективы развития данного направления.

В перспективе на базе РЛС с ФАР будет создана автоматизированная радиолокационная система, которая объединит в своем составе станции разного ведомственного подчинения, различного диапазона волн и боевого предназначения, способная формировать активно-пассивные ячейки из разнесенных в пространстве РЛС, синхронизированных в пространстве и времени, осуществлять распознавание классов ВО на основе информации от разнодиапазонных станций, адаптироваться к конкретной целевой и помеховой обстановке в заданном районе.

Использование в совокупности информации от средств радио- и радиотехнической разведки, подавление отдельных источников активных помех и целей перспективными системами РЭБ с ФАР позволит значительно повысить эффективность системы ВКО РФ в целом и ее информационной составляющей в частности.

Таким образом, использование ФАР далеко не ограничивается применением этих антенн в РЛС РТВ. ФАР – это поистине неисчерпаемый источник информации, возможности которого в настоящее время полностью не изучены и не реализованы.