CC BY
106
В.И. Костылев,
доктор физико-математических наук, профессор, Воронежский государственный университет
Д.В. Звягин,
Воронежский государственный университет
ТИПЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ TYPES OF MEASURING RADIO ENGINEERING SYSTEMS
Приведена классификация измерительных радиотехнических систем. Основное внимание посвящено бистатическим системам.
There is classification of measuring radio engineering system. The basic attention is devoted to bistatic systems.
Теория моностатических измерительных радиотехнических систем основывается на базовом предположении, что передатчик и приёмник пространственно совмещены. Однако известны и другие типы измерительных радиотехнических систем, для которых условие ко-локации передатчика и приёмника не выполняется. В частности, конфигурация бистатической системы предполагает наличие разнесённых в пространстве одной передающей и одной приёмной станций (рис. 1).
В бистатическом случае передатчик T, приёмник R и цель Г составляют треугольник, показанный на рис. 2 и известный как бистатический треугольник. Бистати-ческий треугольник лежит в плоскости, которую резонно считать бистатической плоскостью. Будем называть стороны бистатического треугольника база (сторона между передатчиком и приёмником), сторона приёмника (сторона между приёмником и целью) и сторона передатчика (сторона между передатчиком и целью).
Сторона приёмника и сторона передатчика составляют угол ¡, широко известный как бистатический угол. Он может принимать значения, лежащие в пределах от нуля до ста восьмидесяти градусов: 0° < ¡< 180°. Нулевому значению бистатического угла соответствует частный случай моностатических измерительных радиотехнических систем. В теории бистатических измерительных радиотехнических систем бистатиче-ский угол является одной из главных геометрических характеристик, поскольку присутствует во многих важных формулах. В англоязычной литературе бистатический угол иногда называли также the cut angle или the scattering angle [1]. Бистатический угол, так же как и его биссектриса, показаны на рис. 2.
рис. 1. Астатическая измерительная р^. 2. Бистатический треугольник
радиотехническая система
В зависимости от величины бистатического угла измерительная радиотехническая система использует в своей работе либо явление отражения целью электромагнитной волны (при /< 90°), либо явление дифракции электромагнитной волны на цели (при 90° < /< 180°). В англоязычной литературе измерительная радиотехническая система, использующая явление отражения, называется back-looking radar, а система, основанная на использовании явления дифракции, — forward-looking radar. Измерительную радиотехническую систему, спроектированную для работы при бистатических углах, близких к 180°, мы будем называть теневой. Другое название подобных систем — просветные системы.
Другой важнейшей количественной характеристикой бистатической радиофизической системы является расстояние L между передатчиком и приёмником. Оно обычно называется базой [1], [2]. Таким образом, термин «база» одновременно обозначает как сторону бистатического треугольника, так и количественную величину, равную длине этой стороны. Формально, случай моностатической измерительной радиотехнической системы означает, что L = 0, напротив, L Ф 0 означает случай бистатической измерительной радиотехнической системы в широком понимании. Более узкое (см. [3]) понимание термина «бистатическая измерительная радиотехническая система» предполагает, что бистатиче-ская база должна существенно превосходить величину потенциальной ошибки измерения дальности данной системой.
Понятно, что с точки зрения теории систем бистатическую измерительную радиотехническую систему можно рассматривать как элементарную ячейку многопозиционной измерительной радиотехнической системы [4]. Однако самостоятельная значимость бистатических измерительных радиотехнических систем также не вызывает сомнений. Известно, что исторически первые радиотехнические системы не были моностатическими; они были бистатическими. И только после открытия импульсного метода радиолокации и изобретения антенных переключателей были созданы более привычные теперь моноста-тические измерительные радиотехнические системы. Развитие радиолокационных технологий и возрастание требований к возможностям измерительных радиотехнических систем в наши дни всё чаще и чаще заставляет дизайнеров обращать внимание на первоначальный вариант размещения приёмника и передатчика, предполагающий их существенное удаление друг от друга.
Бистатические измерительные радиотехнические системы могут иметь наземное, воздушное, или космическое базирование (рис. 3). Понятно, что наземные, воздушные и космические системы различаются своей конструкцией, техническими характеристиками, возможностями и достоинствами, равно как ограничениями и недостатками. При этом очевидно, что именно стационарные бистатические системы были придуманы, изучены, спроектированы и построены ранее, чем все остальные.
В некоторых книгах, например в [2], [3] или [5], база Ь трактуется как главная отличительная характеристика бистатической измерительной радиотехнической системы. Безусловно, база существенно определяет эффективность системы. Однако это непрерывная величина, и поэтому сложно установить точную границу, переход через которую влечёт внезапное изменение свойств бистатической системы. К тому же, многие важные характеристики, такие как, например, точность измерения угловой координаты, зависят не столько от самой базы, как от так называемой эффективной базы. Согласно [4], эффективная база, Ье, есть длина проекции бистатической базы на плоскость, перпендикулярную бистатической биссектрисе.
Рис. 3. Классификация измерительных радиотехнических систем
Очевидно, что эффективная база зависит не только от конфигурации системы, но и от положения цели, и поэтому не является характеристикой исключительно измерительной радиотехнической системы. В то же время всегда неявно предполагается, что цель расположена в области перекрытия главных лепестков диаграмм направленности антенн передатчика и приёмника. Поэтому обычно можно считать, что диапазон изменения бистатического угла известен и зачастую невелик. Указанные соображения позволяют разделить бистатические измерительные радиотехнические системы по признаку размера бистатического угла на три большие группы: квазимоностатические системы, собственно бистатические системы и теневые системы. Особенностью квазимоностатиче-ских систем является функционирование в условиях малых бистатических углов; теневые системы имеют дело с бистатическими углами, близкими к развёрнутому.
Вместе с тем иногда в практических целях удобно подразделять бистатические измерительные радиотехнические системы на два других класса: системы с малой (корот-
кой) базой и системы с большой (длинной) базой [4]. К первому из названных классов относится бистатическая система, чья ожидаемая эффективная база существенно меньше, чем соответствующие ожидаемые стороны приёмника и передатчика в биста-тическом треугольнике. Напротив, если ожидаемая эффективная база имеет тот же порядок или больше, чем соответствующие ожидаемые стороны приёмника и передатчика в бистатическом треугольнике, то такая бистатическая измерительная радиотехническая система может рассматриваться как бистатическая система с большой базой [4]. Представляется, что квазимоностатические системы всегда имеют малые базы.
Оборудование и программное обеспечение бистатических измерительных радиотехнических систем с малой базой проще и, как правило, дешевле [4]. Более простыми являются и аналитические соотношения между геометрическими характеристиками цели и параметрами принимаемого сигнала, а также большинство алгоритмов обработки сигналов. Однако бистатические системы с большой базой могут обеспечить более высокую точность измерения координат и скорости цели, равно как и траекторных измерений.
Очень важным свойством, привлекающим дополнительный интерес к бистатиче-ским системам, является тот факт, что из места расположения приёмника не излучается энергия. В этом аспекте бистатическая измерительная радиотехническая система подобна пассивному радару. Следовательно, приёмник используется фактически скрытно [6], что может быть очень важно в военных приложениях. Вследствие указанного обстоятельства все бистатические измерительные радиотехнические системы полезно подразделить на кооперативные и некооперативные. Если передающая и приёмная станции спроектированы и построены для совместной работы в качестве бистатической системы и, к тому же, имеют встроенные средства синхронизации, то это, безусловно, кооперативный случай. В некооперативном случае бистатической измерительной радиотехнической системы приёмник проектируется для работы с уже существую щим источником электромагнитного облучения цели. В англоязычной литературе иногда некооперативный тип бистатических систем шутливо называют hitch-hike, поскольку передатчик не изготавливается специально как компонент бистатической системы. К сожалению, некооперативный подход, при всей его привлекательности, имеет также очевидные недостатки: форма волны обычно бывает далека от оптимальной, а параметры принятого сигнала могут быть неизвестны на приёмной стороне.
ЛИТЕРАТУРА
1. Willis N.J. (1990) Bistatic Radar, chap. 25 in Skolnik MI (ed.): Radar Handbook. New York: McGraw-Hill Book Company.
2. Пространственно- временная обработка сигналов / И.Я. Кремер [и др.].— М: Радио и связь, 1984.
3. Аверьянов В.Я. Разнесённые радиолокационные станции и системы.— Мн.: Наука и техника, 1978.
4. Chernyak V.S. (1998) Fundamentals of Multisite Radar Systems. Multistatic Radar and Multiradar Systems. Amsterdam: Gordon and Breach Science Publishers.
5. Конторов Д. С., Голубев-Навожилов В. С. Введение в радиолокационную системотехнику. — М.: Советское радио, 1971.
6. Hershey J.E., Schroeder J.E. Bistatic Radar Without Transmitted Signal — Covert Altimetry Concept, IEEE Trans. AES-26 (5), 1990. P. 732—736.
