2. Принципы работы средств радиотепловой разведки.

Под радиотепловой разведкой понимается процесс получения информации путём приема и анализа теплового излучения объектов в радиодиапазоне.

Физическая сущность радиотеплового излучения связана с преобразованием кинетической энергии частиц любого вещества в результате их столкновения в энергию электромагнитного излучения.

        Мощность радиотеплового излучения зависит от температуры, площади объекта, его формы, степени гладкости поверхности и ряда других трудно учитываемых факторов. Однако для объектов простой конфигурации ими можно пренебречь и выражение для мощности излучения может быть записано в следующем виде:

                                        

                                             

Здесь    - коэффициент поглощения; Т-абсолютная температура; р - коэффициент отражения тела; T_п - радиояркостная температура подсвечивающего излучения;   Т_к - кажущаяся температура излучателя; S_Ц - площадь объекта; Аf- полоса частот, в которой оценивается излучаемая мощность; k-постоянная Больцмана. Произведение коэффициента поглощения на абсолютную температуру представляет собой радиояркостную температуру объекта. . Значениями радиояркостных и кажущихся температур удобно пользоваться при сравнении различных реальных излучателей.

В отличие от ДН радиолокационного переизлучения, которые для боль­шинства объектов имеют изрезанную лепестковую структуру, ДН радиотеплового излучения обладают гораздо большей равномерностью.

         Реальные радиотепловые излучатели (искусственные и естественные) часто имеют свойства, сильно отличающиеся от свойств идеального излучателя -АЧТ. Поэтому кажущаяся температура реальных излучателей может варьировать при изменении длины волны и вида поляризации.

Кроме того, кажущаяся температура объектов может зависеть и от направле­ния, с которого эти объекты наблюдаются. Наконец, на кажущуюся температуру будут влиять время суток, года и метеорологические условия, особенно степень влажности поверхности объекта.

Металлические объекты излучают очень слабо, поэтому их кажущаяся температура в основном определяется яркостной температурой подсвечиваю­щего фона. Радиояркостная температура металлического листа во всем диапазоне углов наблюдения не превышает 10... 18 К, причем полированная поверхность излучает слабее, чем неполированная. Кажущаяся температура не увеличивается и при нанесении на металл тонкого слоя краски. Можно сделать вывод, что металлический лист является своеобразным зеркалом, в котором отражается более горячее небо. По экспериментальным данным на волне 8 мм кажущаяся температура металлических объектов, расположенных на земной поверхности, гораздо ниже, чем в четырехмиллиметровом диапазоне, и не превышает 50 К. Это объясняется меньшей радиояркостной температурой неба в восьмимиллиметровом диапазоне. По этой же причине в сантиметровом диапазоне волн кажущаяся температура наземных металлических объектов будет еще ниже. Заметим, что кажущаяся температура металлических объектов почти не зависит от их физической температуры, поэтому с помощью радиотепло-локаторов не удается отличать нагретые металлические объекты от холодных, что возможно, например, с помощью ПК-аппаратуры.

Значительно выше (230.. .250 К) кажущаяся температура зданий и различных искусственных сооружений, выполненных из неметаллических строительных материалов. Большинство этих материалов представляет собой диэлектрики с большими потерями, поэтому их коэффициент излучения сравнительно велик. Излучение асфальтовых и бетонных покрытий является характерным признаком

многих военных, промышленных и транспортных объектов (дороги, взлетно-посадочные полосы, ракетные позиции и т. д.). Так как эти покрытия представляют собой плоские и относительно гладкие поверхности, их кажущаяся температура сильно зависит от угла наблюдения.

Кажущаяся температура асфальта может принимать значения от 100 до 300 К. Кажущая температура бетона колеблется в пределах 0.. .290 К.

Важным условием, необходимым для обнаружения объекта по его радиотепловому излучению, является отличие кажущейся температуры объекта от кажущейся температуры поверхности, на фоне которой он расположен. Проведенные исследования радиотеплового излучения типовых фонов земной поверхности показали, что кажущиеся температуры различных участков земной поверхности довольно слабо зависят от длины волны и вида поляризации.

Кажущиеся температуры участков земной поверхности, поросших лесом, сельскохозяйственными культурами, травой, не очень сильно отличаются. Таким образом, в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн лес и травяной покров излучают почти так же, как идеальный излучатель - абсолютно черное тело. Излучение поверхностных излучателей довольно сильно зависит от степени их влажности. Так, в дождливую погоду кажущаяся температура асфальтированных и бетонированных покрытий возрастает на 3...7 К. Так как физическая температура поверхности Земли меняется при смене времен года и в течение суток, изменяются и кажущиеся температуры земной поверхности.

Кажущаяся температура водных поверхностей (рек, озер, морей) сильно зависит от угла наблюдения, вида поляризации, степени волнения.

Волны на поверхности воды способствуют увеличению ее кажущейся температуры, так как пенистые верхушки гребней имеют более высокий коэффициент излучения, чем сама вода.

Как известно, для радиолокационной маскировки металлических объектов могут применяться поглощающие покрытия. Совершенно очевидно, что радиотепловую маскировку такие покрытия не будут обеспечивать, так как они хорошие радиотепловые излучатели.

Реальный радиотепловой сигнал, излучаемый объектом, представляет собой непрерывный шум с очень широким сплошным спектром (от метрового до миллиметрового диапазона волн) и низкой спектральной плотностью. Интенсивность радиотеплового излучения объектов составляет в милли- и субмиллиметровых диапазонах сотые и десятые доли процента, а в санти- и дециметровом диапазонах - сотые и тысячные доли процента от общей интенсивности теплового излучения. Поэтому для увеличения мощности принимаемого сигнала применяют приемные устройства с очень широкой полосой пропускания по высокой частоте - сотни и тысячи мегагерц. Благодаря этому мощность излучения, принимаемого радиотеплолокационной станцией (РТЛС), может достигать 10^-10 Вт. Фактически приемники радиотепловых сигналов выполняют в виде точных измерителей уровня шума. Такие приемники принято называть радиомет­рами.

Простейший радиометр (рис. 3) состоит из усилителя высокой частоты (УВЧ), детектора и сглаживающего фильтра нижних частот (ФНЧ), т. е. пред­ставляет собой обычный приемник прямого усиления.

Основной особенностью радиометра является его способность надежно принимать сигналы, мощность которых много меньше мощности соб­ственных шумов. Эта способность обусловливается сочетанием широкой по-

лосы пропускания по высокой частоте и узкой полосы пропускания последе -текторного ФНЧ. Такое сочетание характерно для большинства современных радиометров (рис.2).

 

                        

Рис.2 Влияние ширины полосы пропускания по ВЧ и НЧ на уровень шума на выходе радиометра

       Можно показать, что выходное отношение сигнал/шум в радиометре будет

 

                    

В современных радиометрах отношение         достигает 10⁷...10⁹, что обес­печивает получение большого выходного отношения сигнал/шум при входном отношении меньше единицы.

         Основной технической характеристикой любого радиометра является чувствительность. Она характеризует способность радиометра принимать слабые радиотепловые сигналы. Чувствительность радиометра численно равна температуре сигнала, при подаче которого на вход выходное отношение сигнал/шум равно единице. Формулу чувствительности простейшего радиометра легко получить из предыдущего выражения, приравняв ее правую часть единице и выразив      через длительность сигнала в виде:

                                          

Тогда                              

Один из основных принципов построения радиометрических приемников -использование во входных цепях усилителей с низким уровнем шума - малошумящих усилителей (МШУ). Наиболее низкими шумовыми температурами обладают КМУ порядка 10 К. Их применение в отдельных случаях позволяет снизить шумовую температуру радиометра до 15 К.

Существенными преимуществами радиотепловой разведки являются абсолютная скрытность ведения и независимость от метеоусловий. Скрытность обусловлена пассивным режимом работы средств разведки, что затрудняет противнику разведку параметров РТЛС и организацию ее радиоэлектронного подавления. Всепогодность радиотепловой разведки обеспечивается за счет работы в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн. Зависимость условий распространения от состояния среды в этих диапазонах не столь значительна по сравнению с ИК-диапазоном.

        Функциональная схема обзорного радиотеплолокатора (РТЛ) приведена на рис. 3. Как видно из рисунка эта схема включает те же элементы, что и функциональная схема обзорной РЛС, за исключением передатчика, антенного переключателя и синхронизатора.

                                                             

 

                      Рис.3 Функциональная схема обзорного РТЛ.

 

   В обзорных РТЛ чаще всего применяют антенны с ДН игольчатого типа; это обеспечивает возможность определения двух угловых координат цели, но не­сколько усложняет приводные устройства антенн. В РТЛ могут применяться различные виды обзора: строчный (растровый), спиральный, циклоидальный.

Особое место занимает так называемый однострочный обзор, применяемый в бортовых обзорных РТЛ (рис. 4). При однострочном обзоре игольчатый ан-

                       

 

                             Рис. 4 Однострочный обзор

тенный луч сканируется в плоскости, перпендикулярной оси летательного аппарата, обеспечивая обзор по обеим сторонам от траектории полета. Обзор вдоль направления полета осуществляется за счет движения летательного аппарата.

        Основными характеристиками обзорного РТЛ являются дальность действия и разрешающая способность.

        Для бортовых РТЛ обзора земной поверхности с однострочным обзором (рис. 4) дальность действия выражается формулой

                             ,

где S_n - площадь цели, м²;                     - радиояркостный контраст цели и фона, К; q_m - входное отношение сигнал/шум, соответствующее заданной надежности (коэффициент различимости);        - чувствительность радиометра, К;              - угловая зона обзора по азимуту, град;    ,    - ширина диаграммы направленности по азимуту и углу места, град; W скорость полета. Расчеты по формуле показывают, что дальность действия обзорных радиотеплолокаторов может быть довольно большой.

      Важным параметром РТЛ обзора земной поверхности является его разрешающая способность. Значение разрешающей способности зависит от ширины ДН и дальности до целей следующим образом

                                     

При увеличении дальности азимутальная разрешающая способность ухуд­шается быстрее, следовательно, на краях зоны обзора детальность получаемого изображения земной поверхности будет хуже, чем в середине.

Наилучшая разрешающая способность, равная

                                    

                                       

будет при нулевом азимутальном угле. Это означает, что наиболее четко будут воспроизводиться участки местности непосредственно под летательным аппаратом, на котором установлен РТЛ. Это серьезное преимущество обзорного РТЛ перед панорамными бортовыми радиолокаторами, у которых, как известно, на малых дальностях разрешение очень низкое. Заметим также, что при небольших дальностях и достаточно узких ДН разрешающая способность РТЛ составляет единицы метров и меньше.

          Многоканальные обзорныеРТЛ. Расширение зоны уменьшает дальность действия радиотеплолокаторов. Кроме того, с расширением зоны растет время обзора, что часто бывает нежелательным.

Для устранения этого недостатка РТЛ делают многоканальными, при этом общая зона обзора делится на несколько зон меньшего размера. Если вместо одного канала взять п одновременно действующих,

дальность действия бортового обзорного РТЛ увеличится в      раз.

Необязательно выполнять каждый канал в виде самостоятельного РТЛ. Современная антенная техника позволяет конструировать антенны с несколькими разнесенными диаграммами направленности. Такие антенны и используют в многоканальных РТЛ. Индикаторное устройство также может быть общим. Значит, необходимы лишь отдельные радиометры

.     Важное преимущество многоканальных РТЛ - их повышенная надежность, так как при выходе из строя одного канала многоканальный РТЛ сохраняет работоспособность за счет исправных.

Если взять число каналов очень большим, то можно осуществлять обзор про­странства без сканирования (рис.5).

                                      

                                Рис.5 Принцип радиовидения.

 

 Такой способ обзора называется радиовидением. Термин радиовидением не случаен. Дело в том, что радиотепловое излучение так же, как и световое, некогерентно и широкополосно. Поэтому радиотепловые изображения участков местности сильно напоминают изображения этих же участков, видимые глазом. Радиовидение - это сложная техническая проблема главным образом потому, что необходимое число приемных каналов очень велико - сотни или даже тысячи.

 

 

Современный уровень развития характеризуется обилием РЭС различного назначения. РЭС буквально пронизывают все сферы человеческой деятельности и прежде всего военную. Это предопределяет особую роль радиоэлектронной разведки (РЭР). По применяемым принципам и объектам она подразделяется на:

-        радиоразведку (РР);

-        радиотехническую разведку (РТР);

-        радиолокационную разведку (РЛР) - видовую и параметрическую;

-        радиотепловую разведку;

-        разведку побочных электромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН).

РР и РТР - пассивные разновидности РЭР, использующие аппаратуру приемного типа.

В настоящее время ни одна боевая операция немыслима без применения средств радио и радиотехнической разведки РРТР.

Средства РРТР обеспечивают решение задач оперативно – тактического и стратегического значения. Рассмотрению организационных и технических принциов построения РРТР посвящена настоящая лекция.