23 марта, 2007

Приоритеры радиолокации

Первые опыты применения ФАР показали, что замена зеркальной антенны на пассивную ФАР увеличивает потери энергии в высокочастотной части РЛС в 2-4 раза. Эти потери приходится компенсировать соответствующим увеличением выходной мощности передатчика. При этом значительно возрастает вес и объем аппаратуры, увеличивается мощность потребляемая РЛС.

Для РЛС космического и воздушного базирования такое увеличение веса, объема и энергопотребления практически не приемлемо. Применение пассивных ФАР в РЛС наземного базирования не всегда позволяет решать задачу сохранения мобильности, количества транспортных единиц.

Одним из решений этих противоречий является переход к использованию в РЛС активных фазированных антенных решеток (АФАР).

Работы по созданию активных ФАР были начаты практически одновременно в СССР и США. В Советском союзе в 1965 г. во Всесоюзном (ныне Всероссийском) НИИ радиотехники была создана первая экспериментальная АФАР, которая имела 84 канала, выполненных на серийных лампах бегущей волны. АФАР работала в непрерывном режиме, общая мощность составляла не передачу 15 Вт. В 1968 г. была разработана и испытана экспериментальная АФАР большего размера с усилителями на металлокерамических лампах. Данная АФАР имела 512 каналов и излучала среднюю мощность 5 кВт.

В процессе проведения этих работ была создана теория, техника и технология АФАР, проверена сходимость математических моделей, определены требования к модулям решетки, разработаны методики настройки и проверки АФАР, созданы необходимые стенды.

По результатам проведенных исследований была поставлена задача разработать опытный образец трехкоординатной РЛС программного обзора, реализующий адаптивную зону обзора при любой целевой и помеховой обстановке.

Опыт проведения разработок показал, что АФАР нельзя проектировать традиционным методом, когда антенна, передатчик и высокочастотный тракт создаются отдельно. В АФАР параметры этих составных частей взаимосвязаны и суммарно определяют параметры диаграммы направленности. В связи с этим АФАР должна рассматриваться как единый комплекс и ее проектирование является системной задачей и накладывает определенные условия на проектирование других систем (систему обработки сигнала, источников питания и т.д.).

Эскизный проект РЛС был выполнен в 1975-1977 гг. В эскизном проекте предлагалось создать РЛС с двумерным сканированием с одной приемо-передающей антенной. Из-за отсутствия в то время мощных транзисторов в качестве передающих устройств были предложены металлокерамические лампы, что привело к громоздкости конструкции антенны и низкой надежности РЛС в целом.

Для проведения поиска направлений по ликвидации этих недостатков были продолжены дальнейшие исследования по оптимизации режимов работы ФАР, организации процедуры обнаружения, процедуры управления сканированием и измерением координат.

Накопленный опыт позволил в 1980 г. развернуть работы по созданию РЛС программного обзора.

К этому времени (1977 г.) была изготовлена РЛС большой дальности "Машук". РЛС имела АФАР в виде линейки из 64 мощных клистронов и общую излучаемую среднюю мощность 64 кВт.

С самого начала разработки РЛС (1965 г.) ставилась задача получения высоких ТТХ при использовании мощного передатчика и автоматической обработки информации в ЭВМ "Гранит", разработанной в Московском НИИ приборной автоматики. Передающая антенна содержала "столбец" из одинаковых клистронов. Такое оригинальное построение антенной системы было большим шагом вперед в мировой практике.

Основоположник отечественной радиолокации академик Ю.Б. Кобзарев после рассмотрения результатов разработки РЛС "Машук" назвал эту станцию "шедевром".

В 1980 г. была создана РЛС СТ-68 для обнаружения целей на малых высотах с АФАР на металлокерамических лампах, также в виде линейки, состоящей из 72 каналов и излучающей около 1 кВт средней мощности.

Впервые в практике, в основном сантиметровом диапазоне, была использована АФАР на основе волноводно-щелевых линеек и передатчик с выходными метеллокерамическими лампами.

ТТХ РЛС СТ-68 до настоящего времени не превзойдены ни одной РЛС данного класса. На базе этой станции был разработан ее упрощенный вариант РЛС СТ-68У. РЛС СТ-68 серийно производились на Муромском заводе РИП.

Период конца 1970-х гг. и начала 1980-х гг. прошлого века отличался ростом повышенного интереса к созданию нового поколения РЛС с фазированной антенной решеткой. В зарубежной литературе появились многочисленные теоретические и экспериментальные материалы о преимуществах использования ФАР по сравнению с зеркальными антеннами. В литературе говорилось о возможном повышении ТТХ РЛС, надежности, мобильности, производительности и т.д.

ЗПРК "Панцирь-С-1" - боевое положение (СОЦ БМ ЗРПК имеет активную фазированную антенную решетку).
Фото: ФГУП КБП

Впервые появились сообщения о начале разработки в США твердотельной РЛС AN/TPS-59 с пассивной ФАР. Разработка данной РЛС проводилась фирмой General Electrik по заказу корпуса морской пехоты в дециметровом диапазоне волн. Говорилось также о намерении фирмы Westinghouse модернизировать РЛС AN/TPS-43, в части замены зеркальной антенны на ФАР. Европейские фирмы Celenia (Италия) и Thompson-CFS (Франция) заявляли о своих работах по созданию РЛС с ФАР.

В 1981 г. институт приступил к выполнению крупномасштабной программы по созданию ряда блочно-модульных унифицированных РЛС средних и больших высот "Гамма", малых высот "Каста" и РЛС программного обзора.

Параллельно с этими исследованиями была проведена НИР, положившая начало реальному воплощению по созданию первой в мире блочно-модульной твердотельной РЛС средних и больших высот с АФАР "Гамма-Д".

Для уменьшения веса и объема аппаратуры, получения высоких ТТХ было решено проектировать антенную систему РЛС "Гамма-Д" в виде АФАР (у американской РЛС AN/TPS-59 пассивная ФАР) и суммировать мощности многих генераторов (1024) в пространстве, а не внутри станции, как это было сделано у AN/TPS-59.

Переход к транзисторному передатчику потребовал изменения основных систем РЛС (приемного устройства, систем вторичного питания, обработки информации и т.д.). В связи с тем, что транзисторы не позволяют генерировать большую импульсную мощность, средняя мощность передающего устройства была достигнута за счет увеличения длительности сигналов до сотен микросекунд и уменьшения их скважности. Для сохранения высокого разрешения пришлось использовать сложные виды модуляции и согласованные фильтры с большим коэффициентом сжатия.

АФАР РЛС содержит диаграммообразующие схемы строк, представляющие собой полосковые синфазные в диапазоне частот станции делители, конструктивно объединенные с напечатанными излучателями. Шаг излучающей структуры АФАР по горизонтали и по вертикали выбраны исходя из требуемых углов сканирования диаграмм направленности антенн.

К рабочим входам диаграмообразующей схемы подключены твердотельные выходные усилители мощности, содержащие СВЧ усилители мощности, вторичный источник питания и циркулятор.

Выбранная схема АФАР допускает отказ до 20% выходных усилителей без значительного ухудшения ТТХ РЛС по дальности обнаружения воздушных целей.

Достоинства и недостатки АФАР

Опыт разработки РЛС "Гамма-Д" показал следующие достоинства АФАР.

Прежде всего, за счет суммирования в пространстве многих маломощных сигналов достигается высокий уровень мощности. Именно это обстоятельство позволяет создавать ряды РЛС с необходимыми ТТХ.

Отказ в твердотельном устройстве не наступает мгновенно, а накапливается во времени, при очень высокой наработке на отказ твердотельного усилителя 10000-100000 часов. Это позволяет создавать необслуживаемые РЛС.

Малые массогабаритные показатели усилительных элементов снижают массу и уменьшают габариты АФАР, повышают маневренные возможности РЛС.

Отсутствие высокого напряжения в передающих устройствах упрощают эксплуатацию станции.

За счет практического отсутствия потерь в делителях и фазовращателях повышается быстродействие управления лучом.

Основным недостатком АФАР является сложность и высокая стоимость по сравнению, например, с зеркальными антеннами. Однако этот недостаток можно свести к минимуму за счет повышения серийности изготовления РЛС.

Несомненный прогресс АФАР в том, что это - современная универсальная платформа, имеющая модульный принцип построения и позволяющая создавать ряды твердотельных РЛС. Указанные РЛС строятся на одинаковых, либо близких технических принципах построения и отличаются основными тактическими характеристиками, такими как дальность обнаружения, точность измерения координат, помехозащищенность, темп обновления информации и рядом других, в зависимости от требований заказчика.

РЛС ряда могут использоваться как автономные средства в территориальных группировках ПВО, а также встраиваться в мобильные ЗРК, либо устанавливаться на надводных кораблях ВМФ различного водоизмещения.

Основные принципы построения унифицированных обзорных РЛС заключаются в следующем.

Использование в качестве антенной системы РЛС фазированной антенной решетки (ФАР) с реализацией фазовым способом управления положением диаграмм направленности антенн (ДНА) по углу места и с электромеханическим вращением ФАР в горизонтальной плоскости.

Фазовый метод управления диаграммами направленности позволяет обеспечить защиту РЛС от прицельной по частоте активной помехи.

Обзор пространства осуществляется последовательным перемещением группы приемно-передающих ДНА по углу места. В качестве передающего устройства во всех РЛС ряда, созданных в различных диапазонах волн, используются твердотельные усилители, встроенные в ФАР. Тем самым ФАР строится на принципах активной антенны.

Построение ФАР по активному принципу существенно уменьшает потери на канализацию энергии от передатчика до эфира и способствует увеличению дальности обнаружения.

Использование твердотельного распределенного передатчика в РЛС обеспечивает высокую надежность, быстрое время включения, отсутствие высоких напряжений по сравнению с передатчиком на электровакуумных приборах и жидкостного охлаждения.

Реализация цифрового формирования приемных диаграмм направленности на базе АЦП и сигнальных процессоров Применение цифровой ФАР позволяет повысить точность измерения угла места благодаря идентичности по усилению приемных каналов, сформировать дополнительные диаграммы направленности антенны для решения задач автокомпенсации помех в той же апертуре антенной решетки без установки дополнительных антенн и обеспечивает эффективное ослабление активных помех за счет высокой степени корреляции сигналов в основных и компенсирующих каналах.

Применение последовательного метода обзора пространства по углу места позволяет оптимизировать сигнал для осмотра в каждом угломестном направлении.

Обработка принятых сигналов осуществляется в цифровом виде на цифровых сигнальных процессорах и одноплатной ЭВМ с реализацией всех задач временной обработки сигналов, первичной и вторичной обработки информации и сопряжения с потребителями по стандартным цифровым каналам обмена.

На указанных выше принципах построения обзорных РЛС созданы следующие четыре ряда станций: мобильная твердотельная высокопотенциальная средних и больших высот дециметрового диапазона волн РЛС "Гамма-ДЕ"; РЛС обнаружения и целеуказания боевой машины ЗРПК (СОЦ БМ); станции обнаружения и целеуказания командных пунктов (СОЦ КП) - СОЦ ППРУ (2РЛ80), РЛСО комплекса "Панцирь-С1"(1РЛ123-Е); корабельные радиолокационные станции обнаружения и целеуказания "Фуркэ" (модификации 1,2,3,4).

ВЫВОДЫ

На основных принципах построения унифицированных обзорных РЛС, приведенных выше, разработаны четыре ряда станций (исходя из требований, которые в настоящее время выдвигают различные заказчики).

В каждом ряду РЛС имеются станции, которые серийно производятся или выполняется их разработка (например, многофункциональные РЛК для надводных кораблей проектов 20380 и 22350).

Реализация указанных рядов РЛС позволяет в ближайшее время (10-15 лет) удовлетворить требования различных заказчиков.

Универсальная платформа РЛС, имеющая модульный принцип построения, позволяет осуществлять модернизацию станций при изменении требований ТТЗ.

На основе разработанных РЛС проработаны вопросы применения этих станций в качестве разведывательно-информационных систем контроля воздушного пространства над крупными административными и промышленными центрами, объектами энергетики, атомной и химической промышленности.

В ходе разработки рядов РЛС была проведена унификация станций по диапазонам частот, модулям различных устройств и конструктивному исполнению.