« М.Г. Ерошенков Радиолокационный мониторинг МОСКВА 2004 УДК 621.396 ...»

Наиболее часто в РТС применяются диапазоны ОВЧ, УВЧ и СВЧ. Радиоволны этих диапазонов частот интенсивно отражаются от объектов, антенны компактны и обеспечивают высокую направленность излучения и приема.

Следует отметить, что использование того или иного диапазона радиочастот для систем различных назначений, а также ширина спектра частот, отводимого системе, регламентированы Международной комиссией распределения радиочастот (МКРР). Эти ограничения влияют на выбор вида радиосигнала и построение РТС и, в конечном счете, на ее характеристики.

Классификация радиотехнических систем по модулируемому параметру радиосигнала. Радиотехнические системы извлечения информации в зависимости от информационного параметра подразделяют на амплитудные, фазовые и частотные. К первым относятся, например, системы определения направления прихода радиоволн с помощью направленных антенн; ко вторым - фазовые радионавигационные системы; к третьим - доплеровские системы измерения радиальной скорости.

В радиотехнических системах передачи информации сигналы формируются путем изменения тех или иных параметров переносчика информации по закону передаваемых сообщений. Процесс изменения параметров переносчика информации принято называть модуляцией, если передаваемые сообщения непрерывные, и манипуляцией, если передаваемые сообщения цифровые. В случае, когда переносчиком является гармоническое колебание, модулирующими параметрами могут быть его амплитуда, частота и фаза. Различают непрерывные РТС передачи информации с амплитудной (AM), частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) модуляциями.

В импульсной РТС передачи информации модулируемыми параметрами могут являться амплитуда импульса, его длительность, частота следования и фаза (положение относительно точки отсчета), число импульсов, а также комбинация импульсов и пауз, определяющих код. Соответственно, различают РТС передачи информации:

• с амплитудно-импульсной (АИМ);
• с широтно-импульсной (ШИМ);
• с частотно-импульсной (ЧИМ);
• с фазоимпульсной (ФИМ);
• с импульсно-кодовой (ИКМ) модуляциями.

Возможны и другие виды систем.

В цифровых РТС передачи информации применяются:

• относительно фазовая (ОФМ);
• частотная (ЧМ);
• амплитудная (AM) манипуляции и другие более сложные виды.

Приведенная классификация позволяет выявить особенности РТС и учесть их при проектировании.

Тактико-технические характеристики радиотехнических систем

Характеристики РТС можно разделить на:

• тактические, определяющие назначение и практические возможности системы (зона действия, разрешающая способность, точность, помехоустойчивость, пропускная способность, электромагнитная совместимость и др.);
• технические, определяющие основные устройства систем (значение и стабильность частоты несущей, вид и параметры модуляции, используемых колебаний, диаграммы направленности антенн, мощность передатчика, чувствительность приемника и др.).

Технические параметры характеризуют средства, необходимые для обеспечения заданных тактических параметров. Отклонение любого технического параметра от номинального значения оказывает влияние на те или иные тактические параметры, что может вызвать их выход за пределы установленных допусков (отказ системы).

Рассмотрим основные характеристики РТС.

Зона действия РТС - область пространства, в пределах которой возможны передача, извлечение или разрушение информации, либо область, в пределах которой возможно управление объектом. В сферической системе координат эта область ограничивается минимальной и максимальной дальностями и предельными значениями углов азимута и места. Иногда область действия приходится рассматривать в многомерном фазовом пространстве, координатами которого являются дальность, углы азимута и места, а также скорость и ускорение. Подобная ситуация встречается, в частности, в РТС управления, нормально функционирующих лишь при условии, что скорость и ускорение цели не превышают некоторых заданных значений.

Другим примером могут служить доплеровские РЛС, в которых обнаружение движущихся целей на фоне малоподвижных и неподвижных отражателей осуществляется благодаря различию их скоростей движения. Поэтому четвертой координатой, определяющей зону действия РЛС, является радиальная скорость цели.

Для РТС передачи информации зона действия ограничена только дальностью достоверного приема, которая в настоящее время измеряется сотнями миллионов километров (системы связи с космическими аппаратами).

Для РЛС зона действия ограничивается максимальной дальностью обнаружения с заданной вероятностью, минимальной дальностью, определяемой так называемой «мертвой зоной», и предельными углами азимута и места, определяемыми диаграммой направленности антенны и границами сканирования.

Разрешающая способность - свойство РТС разделять и независимо воспринимать информацию, заключенную в радиосигналах, мало отличающихся друг от друга значениями одного или нескольких параметров, например, сдвигами по частоте, задержке и направлению прихода радиоволн.

Точность получаемой информации - степень искажения информации (величина ошибки) при определенных характеристиках сообщений, помеховой обстановки, дальностях, условиях эксплуатации.

Если извлекается информация о некоторой изменяющейся величине, принимающей конечное число значений, то качество системы целесообразно характеризовать вероятностью ошибки. Это имеет место, например, в РТС передачи дискретных сообщений.

В РТС передачи аналоговых сообщений и во многих РТС извлечения информации ошибка имеет непрерывный характер и качество системы целесообразно определять величиной ошибки.

Различают систематические ошибки и случайные. Систематические ошибки обусловливаются известными и закономерными факторами. Поэтому их можно оценить расчетным путем или экспериментально, а затем учесть при проведении измерений. Случайные ошибки возникают из-за действия помех: шумов приемника, помех в среде распространения радиоволн, случайного изменения отражающих свойств объектов и т.п. Важными характеристиками случайных ошибок являются плотность распределения вероятности, математическое ожидание, дисперсия, корреляционная функция или спектральная плотность мощности.

Пропускная способность системы - максимальное количество информации, которое может быть передано или извлечено системой за единицу времени. Термин «пропускная способность» обычно применяют к РТС передачи информации и радиолокационным системам.

Быстродействие системы - длительность переходного процесса при подаче на вход системы единичного скачка. Термин «быстродействие системы» применяют к РТС управления. При этом под быстродействием системы понимают способность системы отслеживать быстрые изменения параметров входной величины.

Помехоустойчивость - способность РТС сохранять показатели качества (дальность, точность и т.п.) при воздействии помех. Она зависит от способов кодирования, модуляции, метода приема и т.п.

Для РТС передачи дискретных сообщений помехоустойчивость можно характеризовать вероятностью ошибки при заданном отношении средних мощностей сигнала и помехи в полосе частот, занимаемой сигналами, или требуемым отношением средних мощностей сигнала и помехи на входе приемника системы, при котором обеспечивается заданная вероятность ошибки.

Помехоустойчивость РТС передачи непрерывных сообщений или РТС извлечения непрерывных сообщений удобно оценивать средним квадратом ошибки или отношением средних мощностей сигнала и помехи на входе приемника системы, при котором обеспечивается заданный средний квадрат ошибки.

Электромагнитная совместимость - способность РТС функционировать совместно с другими РТС.

Надежность аппаратуры - способность РТС выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени.

Скрытность действия - способность системы противостоять мерам радиотехнической разведки, направленным на обнаружение сигнала (энергетическая скрытность), определение его структуры (структурная скрытность) и раскрытие смысла передаваемой с помощью сигналов информации (информационная скрытность). Скрытность возрастает, в частности, при увеличении направленности, уменьшении мощности излучения, уменьшении длительности непрерывного функционирования, усложнении структуры сигналов, изменении параметров сигналов.

Масса, габариты, потребляемая мощность, удобства размещения и развертывания - характеристики, особенно важные при размещении РТС на подвижных объектах.

Перспективность - способность РТС в течение длительного времени удовлетворять потребностям общества.

Многие из перечисленных характеристик РТС являются и показателями их качества. В частности, к ним относятся такие, как дальность действия, точность, помехоустойчивость, пропускная способность и др. При рассмотрении характеристик и показателей качества РТС и возможностей их улучшения необходимо учитывать объективные природные ограничения, к которым относятся:

• ограниченный диапазон частот;
• наличие помех;
• особенности распространения радиоволн;
• ограниченный объем размещения аппаратуры РТС (самолеты, ракеты, ИСЗ и др.).

Необходимо также учитывать экономические факторы (улучшение показателей качества всегда связано с увеличением стоимости аппаратуры), а также психофизиологические возможности человека-оператора, обслуживающего ту или иную РТС, его способность к восприятию, обработке и накоплению информации.

Тенденции развития радиотехнических систем

Научно-технический прогресс в области РТС проявляется в обновлении технической структуры РТС, в замене устаревших технических средств новыми. Вновь создаваемые РТС должны обладать лучшими показателями качества, более широкими функциональными возможностями и в большей степени удовлетворять требованиям получателя информации.

Основой развития РТС являются как достижения фундаментальных наук, открывающие новые физические принципы функционирования устройств и систем, так и успехи современной электроники.

Направления развития радиотехнических систем

В развитии РТС выделяют^[11] следующие принципиальные направления:

• интеллектуализация РТС на основе вычислительных средств;
• освоение в создаваемой радиоэлектронной технике широкого диапазона радиоволн: от миллиметрового до сверхдлинных;
• переход в современной аппаратуре от отдельных электронных элементов узкого назначения (транзисторов, логических ячеек, ячеек памяти) к функциональным сложным интегральным микросхемам;
• повышение роли устройств обработки информации в РТС;
• расширение областей применения РТС.

Развитие РТС в значительной мере определяется достижениями в области электроники:

• для современной электроники характерным является все возрастающая степень интеграции, достигающая в настоящее время нескольких миллионов транзисторов на кристалл;
• большой интерес вызывают разработки монолитных интегральных схем сантиметрового и миллиметрового диапазонов на базе биполярных и полевых транзисторов с гетеропереходами, в частности, приемопередающих модулей систем с активными фазированными антенными решетками;
• продолжает развиваться функциональная электроника: появились акустоэлектронные процессоры, приборы с зарядовой связью и устройства на их основе.

Усложнение функций, связанных с передачей, накоплением и обработкой информации, решается, главным образом, за счет устройств цифровой техники. Цифровая техника используется в устройствах обработки сигналов, системах формирования луча и управления его сканированием в устройствах с фазированными антенными решетками, в системах связи, радиовещания и телевидения.

Наряду с микропроцессорной техникой быстро развиваются цифровые процессоры сигналов (ЦПС) - приборы, где цифровая техника наиболее тесно взаимодействует с аналоговой. Современные ЦПС характеризуются производительностью в десятки и сотни миллионов операций в секунду.

Таким образом, РТС идут в своем развитии по пути повышения степени функциональной интеграции, что достигается увеличением в системе числа ячеек, выполняющих логические функции или функции хранения информации.

Повышение степени интеграции позволяет повысить надежность и быстродействие системы, снизить стоимость, перейти на высокоскоростные методы передачи и обработки информации, создать интегрированные многофункциональные комплексы с высоким уровнем искусственного интеллекта, адаптивные к помеховой обстановке.

Развитие радиотехнических систем
передачи информации

За последнее десятилетие особенно существенные изменения претерпели РТС передачи информации. Еще совсем недавно в России практически не было междугородних цифровых систем передачи информации. Очень слабо была развита подвижная радиотелефонная связь. Существующие сети, в основном, аналоговые. Плохо удовлетворялся спрос на услуги международной связи. В зачаточном состоянии находились телематические службы «Телетекс», «Телефакс», «Бюрофакс», «Видеотекс» и другие, играющие существенную роль в информатизации общества (телематические службы, согласно определению Международного союза электросвязи, - это службы электросвязи (кроме телефонной, телеграфной и служб передачи данных), которые организуют с целью обмена информацией через сети электросвязи). Отсутствовала общенациональная сеть передачи данных с коммутацией пакетов, сотовые сети подвижной связи и т.п.

Изменения в политической, экономической, культурной и общественной жизни, расширение производственных связей, интеграция в мировое сообщество способствовали бурному развитию систем передачи информации.

Одним из перспективных направлений совершенствования СПИ является создание высокоскоростных сетей для передачи всех видов информации. К приоритетным направлениям относятся такие направления, как создание высокоскоростных цифровых сетей связи, сетей передачи данных с коммутацией пакетов, телематических служб, совершенствование спутниковых систем связи, развитие современных систем подвижной радиосвязи, обеспечивающих как речевой, так и документальный обмен.

Эффективной движущей силой радикальных изменений облика телекоммуникаций являются успехи в развитии подвижной радиосвязи. Хорошо известны возможности такой связи. Системы подвижной связи имеют исключительное значение для больших регионов с низкой плотностью населения и большим числом малых городов и деревень, для труднодоступных районов.

При решении проблем информационного обмена как внутри страны, так и с зарубежными странами важна документальная электросвязь. В последнее время открыты широкие возможности по созданию современных телекоммуникационных технологий в России, резко возрос объем и расширилась номенклатура услуг, предоставляемых документальной электросвязью. Значительное развитие получила международная телеграфная сеть «Телекс». Существенную роль в обмене документальными сообщениями играют различные системы электронной почты, охватывающие все регионы России и предоставляющие возможность обмена сообщениями, в том числе с зарубежными корреспондентами.

К важнейшим средствам организации международной и междугородной телефонно-телеграфной связи, телевидения и радиовещания относится спутниковая связь. Особенно незаменимы спутниковые системы для больших территорий, для районов с малой плотностью населения, суровыми климатическими условиями. В настоящее время создана сеть телефонной связи через спутники с важнейшими районами и городами Дальнего Востока, Сибири, Крайнего Севера. Спутниковая связь позволила распространить многопрограммное телевизионное вещание из Москвы по всей территории России, создать региональное теле- и радиовещание, обеспечить ускоренную телефонизацию удаленных и труднодоступных регионов, организовать дополнительные линии связи и связь с мобильными объектами, ускорить развитие сетей передачи данных и международной спутниковой связи.

Тенденции развития радиолокационных станций

Дальнейшее совершенствование получили РЛС и РНС. Современные радиолокационные системы позволяют решать задачи, которые были недоступны единичным радиолокационным средствам. Они обладают высокой разрешающей способностью по дальности, угловым координатам, радиальной скорости, что обеспечивается применением:

• сверхширокополосных сигналов;
• когерентных сигналов большой длительности;
• антенн со сверхузкими диаграммами направленности.

В развитии РЛС наблюдаются следующие основные тенденции:

• увеличение числа измеряемых координат (в частности, к созданию трехкоординатных РЛС);
• многорежимность зондирования и обзора пространства;
• повышение когерентности сигналов и эффективному ее использованию;
• автоматизация обработки сигналов и построения трасс целей;
• сокращение энергозатрат;
• сочетание перспективных антенных решеток с более дешевыми антеннами при значительном уменьшении уровня боковых лепестков;
• существенное повышение надежности и ресурса РЛС;
• диагностика и ускоренное устранение неисправностей;
• сокращение количества обслуживающего персонала, ограничение функций персонала;
• применение дистанционного контроля.

В области РЛС обнаружения маловысотных целей предпочтение отдается антеннам, поднимаемым на вышки (мачты) высотой 10...20 м.

Большое внимание уделяется РЛС с активным ответом. К ним относятся, прежде всего, РЛС управления воздушным движением. Большинство РЛС военного назначения имеют также каналы опознавания государственной принадлежности. Для этих РЛС повышенное внимание уделяется защите от помех, а в ряде случаев и от самонаводящихся на излучение снарядов. В связи с широким применением малозаметных воздушных целей существенно повысилась роль РЛС метрового диапазона. Во всех диапазонах проводятся работы по распознаванию классов (и даже типов) воздушных целей.

Подповерхностная радиолокация

В последние годы значительно возрос интерес к подповерхностной радиолокации^[12]. Работа радиолокационной станции подповерхностного зондирования (георадара) основана на использовании классических принципов радиолокации. Передающая антенна излучает сверхкороткие электромагнитные импульсы, имеющие 1,0-1,5 периода квазигармонического сигнала. Такие импульсы относятся к классу широкополосных сигналов, у которых отношение ширины спектра к частоте его максимума близко к единице. Центральная частота сигнала и длительность определяются необходимой глубиной зондирования и разрешающей способностью георадара. Излучаемый импульс отражается от неоднородностей исследуемой среды и принимается приемной антенной. После обработки сигнала полученная информация отображается на индикаторе.

Подповерхностная радиолокация применяется в самых различных областях:

• геофизика;
• инженерная геология;
• транспортное, промышленное и гражданское строительство;
• археология;
• космические исследования планет Солнечной системы и их спутников;
• оборонная промышленность и т.д.

Области применения методов подповерхностной радиолокации:

• построение геологических разрезов и профилей дна водоемов;
• определение положения уровня грунтовых вод;
• определение границ распространения полезных ископаемых;
• измерение толщины пресноводных и морских льдов;
• выявление местоположения инженерных сетей (металлических и пластиковых труб, кабелей и др.);
• оценка качества бетонных конструкций (мостов, дамб и плотин);
• обнаружение утечек из нефтепроводов;
• обнаружение захоронения экологически опасных отходов;
• установление местонахождения археологических объектов и тайников;
• исследование структуры торфяных месторождений, песчаников, известняков, мерзлых почв.

В оборонной промышленности георадары могут использоваться для:

• обнаружения мест установки мин;
• обнаружения расположения подземных тоннелей, коммуникаций, складов;
• выявления подкопов к охраняемым объектам.

2.2. Принципы радиолокационного мониторинга

Принципы построения радиолокационных систем

Задачи и условия функционирования радиолокационных систем. Радиолокация - отрасль радиотехники, обеспечивающая получение сведений об объектах путем приема и анализа радиоволн. Объекты, сведения о которых необходимо получить, называют радиолокационными целями. Различают следующие цели:

• аэродинамические (самолеты, крылатые ракеты, вертолеты и др.);
• наземные и надводные (автомашины, танки, корабли и др.);
• космические (космические аппараты, баллистические ракеты и др.), подземные и подводные (полости в грунте, различные объекты в земле и воде и др.);
• природного происхождения (облака, естественные ориентиры на местности, метеоры, планеты) и другие.

Совокупность сведений о наличии целей в отдельных областях пространства, об их координатах и других параметрах движения, о числе целей и их характеристиках называют радиолокационной информацией. Технические средства получения радиолокационной информации называют радиолокационными средствами, радиолокационными станциями (РЛС), или радиолокаторами. Для расширения информационных возможностей радиолокационных средств их объединяют в радиолокационные системы (комплексы), включающие средства передачи данных и управления.

Термин «радиолокация» составлен из латинских слов locus - место и radio - излучение, характеризующих важнейшую из решаемых задач и пути ее решения. В зарубежной литературе используется термин «радар» (radar), происходящий из словосочетания radio detection and ranging (от англ. обнаружение и измерение дальности с помощью радиоволн). В современных РЛС используются электромагнитные излучения декаметровых, метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн.

Термин «мониторинг» в самом общем смысле означает^[13] «постоянное наблюдение за каким-либо процессом с целью выявления его соответствия желаемому результату или первоначальным предположениям». В более узком смысле – это «наблюдение, оценка и прогноз состояния окружающей среды в связи с хозяйственной деятельностью». Большой Энциклопедический словарь дает^[14] следующее определение: «Мониторинг – это комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды (атмосферы, гидросферы, почвенно-растительного покрова и др.) с целью её контроля, прогноза и охраны. Различают глобальный, региональный и локальный уровни мониторинга. Наиболее важны в системе мониторинга контроль за химическим составом атмосферы, осадков, поверхностных и грунтовых вод, почвы, за концентрацией и основными путями распространения загрязнений. Проводится мониторинг сейсмических явлений, водных и минеральных ресурсов, численности и видового состава животных и растений и т.д. В службе мониторинга используют физические, химические и биологические методы исследований, авиационную и космическую технику и др. Сведения о состоянии различных природных объектов поступают от специализированных наземных и морских станций, из биосферных заповедников, с космических аппаратов. Космический мониторинг позволяет оперативно выявлять очаги и характер изменений окружающей среды, прослеживать интенсивность процессов и амплитуды экологических сдвигов, изучать взаимодействие техногенных систем. Служба мониторинга создана во многих странах: в 1988 организован Всемирный центр мониторинга охраны природы (ВЦМОП)».

Основными информационными задачами радиолокации являются следующие:

- обнаружение целей;

- измерение координат целей и других параметров их движения;

- разрешение целей;

- классификация целей.

Эти задачи решаются на всех этапах обработки радиолокационной информации: первичной, вторичной и третичной.

Задача обнаружения состоит в принятии решения о наличии или отсутствии цели в каждом выделенном элементе пространства, входящем в зону ответственности (контроля) РЛС, с минимальными вероятностями ошибок при первичной обработке и во всей зоне ответственности РЛС при вторичной (третичной) обработке.

Задача измерения сводится к оцениванию координат и других параметров движения целей с минимально возможными погрешностями. Измеряют, в первую очередь:

• дальность до цели;
• азимут цели;
• угол места;
• производные координат (в частности, радиальную скорость) элементы траектории.

Могут измеряться параметры, не связанные непосредственно с координатами целей: элементы поляризационной матрицы рассеяния, радиальная протяженность целей и др.

Задача разрешения заключается в обнаружении и измерении параметров произвольной цели в присутствии других объектов (целей).

Задача классификации (распознавания) состоит в установлении принадлежности цели к определенному классу и разделяется на решение двух основных задач. Первая состоит в определении государственной принадлежности «свой-чужой» с помощью запросно-ответных устройств опознавания, установленных на своих объектах, вторая - в распознавании цели, не отвечающей на запрос.

Всю совокупность информационных задач радиолокации характеризуют часто термином радиолокационное наблюдение.

Информационные задачи решаются за ограниченное время:

• для первичной обработки это время определяется временем однократного контакта РЛС с целью;
• для вторичной - временем нахождения цели в зоне ответственности РЛС.

Обнаружение, измерение и разрешение часто представляют единый процесс обнаружения-измерения-разрешения, а визуальное наблюдение дополняется автоматизированным (без участия оператора) или полуавтоматизированным (с участием оператора). Скоротечность изменения радиолокационной обстановки требует высокого темпа выдачи данных.

На радиолокационные средства воздействуют помехи:

• природного происхождения (естественные);
• от других радиоэлектронных средств (взаимные);
• а в ряде случаев - организованные (умышленные).

Помехи природного происхождения в той или иной степени воздействуют на любое радиолокационное средство. Влияние взаимных помех в последнее время значительно возросло в связи с внедрением различных радиоэлектронных средств в народное хозяйство и военную технику. Стало актуальным обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. Основными способами противодействия средствам военной радиолокации со стороны противника являются создание организованных помех и прямое уничтожение РЛС, т.е. их радиоэлектронное подавление и огневое поражение.

Независимо от происхождения различают помехи в виде:

• мешающих излучений - активные;
• мешающих отражений - пассивные;
• их комбинаций - комбинированные.

Помехи могут маскировать полезные сигналы и имитировать цели, снижая эффективность радиолокационных средств и систем. В связи с этим к РЛС предъявляются требования по обеспечению помехозащищенности, т.е. по поддержанию качества информации в помеховых ситуациях на допустимом уровне. Для повышения помехозащищенности используют различные меры защиты от помех, в том числе приспособление (адаптацию) к помеховой обстановке и использование помех для непосредственного получения информации о целях (постановщиках помех). Целесообразное объединение радиолокационных средств в системы - одна из мер повышения качества информации в сложных конфликтных ситуациях. Объединять необходимо достаточно информационные средства. Однако объединение и малоинформативных средств может повысить эффективность радиолокации.

Усложнение условий работы, необходимость повышения качества наблюдения и живучести радиолокационных средств и систем требуют развития информационных технологий для всестороннего использования современных возможностей получения радиолокационной информации в пределах допустимых экономических затрат.

Принципы получения радиолокационной информации и построения радиолокационных систем. Носителями информации о целях являются принимаемые радиолокационные сигналы. Возможность приема радиолокационных сигналов обеспечивается в результате вторичного излучения, переизлучения или собственного излучения радиоволн. Различают, соответственно, активную радиолокацию с пассивным ответом, активную радиолокацию с активным ответом и пассивную радиолокацию. Возможна также пассивная радиолокация с активным ответом.

Активная радиолокация с пассивным ответом основана на использовании эффекта вторичного излучения (отражения) радиоволн. Активный ее характер состоит в облучении пространства мощными зондирующими колебаниями. Пассивным ответом на облучение является вторичное излучение радиоволн. На характер активной радиолокации, кроме особенностей вторичного излучения, существенно влияет также характер размещения приемной и передающей аппаратуры. Если приемная позиция совмещена с передающей, то активное радиолокационное средство называют совмещенным. Совмещенное средство часто содержит одну антенну, коммутируемую поочередно на передачу и прием сигналов. Возможен разнос приемной и передающей позиций на расстояние, называемое базой. Базы бывают не только постоянными, но и переменными, например, когда приемный пункт - головка самонаведения - располагается на ракете. Наряду с однобазовыми (двухпозиционными) разнесенными активными радиолокационными средствами возможны многобазовые (много-позиционные). В связи с усложнением задач радиолокации интерес к разнесенным радиолокационным средствам в последнее время возрастает^[15].

Рис. 2.4. Виды радиолокации: а - активная радиолокация с пассивным ответом; б - разнесенная активная радиолокация с постоянной базой и в - с переменной базой; г - активная радиолокация с активным ответом; д - пассивная радиолокация

Радиолокация с активным ответом (вторичная радиолокация) - это активная радиолокация с активным ответом. Такой вид локации позволяет получать надежную информацию о своих объектах (например, о кораблях, самолетах и т.д.). Их облучают запросными (зондирующими) сигналами. На объектах устанавливают ответчики, т.е. приемопередатчики, переизлучающие (ретранслирующие) принятые сигналы. Несущие частоты и законы модуляции (коды) запросных и ответных сигналов могут изменяться в широких пределах. Это обеспечивает опознавание государственной принадлежности объектов («свой-чужой») и индивидуальное опознавание. Активный ответ широко применяется также для радионавигации самолетов, морских судов и т.д.

Пассивная радиолокация использует собственные излучения элементов цели и их ближайшей окрестности. Излучения создают:

• нагретые участки поверхности;
• радиолокационные и радионавигационные средства;
• средства радиосвязи и радиоэлектронного подавления;
• ионизированные образования различного вида и др.

В общем случае средство пассивной радиолокации может быть размещено на одной или нескольких разнесенных позициях. На принципах пассивной радиолокации работают, в частности, средства радиотехнической разведки излучений.

Пассивные и активные радиолокационные средства можно использовать совместно. Тогда говорят об активно-пассивных радиолокационных средствах (системах или комплексах).

Важное значение для активных и активно-пассивных радиолокационных средств имеет характер зондирования пространства. Высокая направленность зондирующего излучения обеспечивает концентрацию его энергии, облегчая последующее выделение отраженных сигналов, поэтому зондирование различных участков пространства часто проводится неодновременно, т.е. наряду с одновременным обзором участков пространства реализуется последовательный обзор. Поскольку колебания, излучаемые в каждом направлении, обычно модулированы во времени, законы модуляции для различных направлений не совпадают. Это позволяет говорить о пространственно-временной модуляции зондирующих колебаний. Она достигается временной модуляцией в передатчиках и перемещением диаграмм направленности передающих антенн. Возможные виды пространственно-временной модуляции обеспечивают последовательный обзор пространства по жесткой либо по гибкой программе, в зависимости от результатов текущих наблюдений. Для повышения оперативности обзора используют антенны с электрическим управлением положением луча: антенные решетки, антенны с частотным качанием (сканированием луча).

Информация о дальности до цели заключена во временной структуре принимаемых колебаний. Для совмещенных радиолокаторов дальность однозначно определяется временем запаздывания.

При использовании разнесенных пунктов приема или одной многоэлементной антенны можно говорить о пространственно-временной структуре принимаемых колебаний. Набор временных запаздываний характеризует не только дальности, но и угловые координаты целей.

При малом разносе приемных элементов (в пределах антенной решетки), когда разностью запаздываний огибающих сигналов до приемных элементов можно пренебречь, угловая координата цели определяется распределением начальных фаз принимаемых колебаний. С этим же распределением связано формирование характеристик направленности антенн.

При вращении антенной системы (сканировании), можно сравнительно просто измерять угловые координаты - азимуты и углы места целей, например, по оценке временного положения максимума отраженного сигнала (рис. 2.5, а), обеспечивать их угловое разрешение (рис. 2.5, б). При одноканальном приеме информация о различных угловых направлениях поступает последовательно во времени, при многоканальном, когда характеристики (см. рис. 2.5, б) относятся к разным каналам приема, ее можно получать параллельно, практически одновременно.

Рис.2.5. Определение угловой координаты цели (а), угловое разрешение целей (б)

Реализацию основных операций обнаружения целей, измерения их угловых координат и дальности поясним на примере структурной схемы (рис. 2.6) простейшего совмещенного активного импульсного радиолокатора с общей приемопередающей антенной и одним приемником. Важным элементом радиолокатора является синхронизатор, определяющий последовательность работы его основных элементов. Зондирование короткими радиоимпульсами обеспечивает неодновременность приема и излучения. Это позволяет использовать общую антенну, коммутируемую антенным переключателем на передачу и прием. После излучения зондирующего радиоимпульса антенна соединяется с приемником. Индикаторное устройство обеспечивает возможность обнаружения оператором вторичного излучения цели, измерения дальности до цели и ее угловых координат. Системы автоматики связывают индикаторное устройство с антенной, что позволяет получать информацию о положении диаграммы направленности антенны, а значит, об угловых координатах целей, а также управлять антенной (система управления на рис. 2.6 не показана).

Рис. 2.6. Структурная схема простейшего совмещенного
активного импульсного радиолокатора

В общем случае прием может быть многоканальным, длительность сигнала не должна быть обязательно малой. Приемная и передающая антенны могут быть пространственно разделены (даже в условиях совмещенной локации).

Возможности съема и обработки данных существенно расширяются при использовании средств вычислительной техники, обеспечивающих более полную автоматизацию радиолокационного наблюдения.

В случае радиолокации движущихся целей происходит изменение временных запаздываний отдельных элементов, а значит, всей структуры сигналов. Так, радиальное движение цели относительно совмещенного импульсного радиолокатора:

• изменяет запаздывания последовательно принимаемых импульсов;
• приводит к известному из физики изменению несущей частоты - эффекту Доплера.

Оба эффекта в отдельности можно использовать для измерения радиальных скоростей целей и их скоростного разрешения. Селекцию по скорости широко используют для защиты от пассивных помех.

При любом из методов радиолокации приходящие сигналы оказываются часто слабыми. Особенно это относится к активной радиолокации, когда ослабление обусловлено двукратным рассеянием энергии: на пути до цели и обратно. Принимают ряд мер для выделения слабых сигналов:

• увеличивают по возможности габариты передающей и приемной антенн, среднюю мощность зондирующих колебаний;
• применяют высокочувствительные (малошумящие) входные элементы радиоприемных устройств.
• оптимизируют обработку принимаемых колебаний с учетом внешних помех и внутренних шумов приемника.

Оптимизация обработки означает наилучший (в статистическом смысле) учет взаимных различий сигналов и помех. Учет этот существен на всех этапах получения радиолокационной информации, в первую очередь, при обнаружении цели и измерении их координат и параметров движения. Радиоприемное устройство по существу становится специализированной ЭВМ, точно или приближенно выполняющей линейные и нелинейные операции оптимальной обработки принимаемых колебаний. Постепенно стираются грани между обработкой в цепях приемника, элементах автоматики и вычислительной техники. Существенна лишь совокупность выполняемых операций, подлежащих совместной оптимизации. При использовании многоэлементных антенн необходимые операции оптимальной обработки проводят уже над колебаниями, принятыми элементами антенн. Антенные операции оказываются начальными звеньями единой цепи обработки (аналоговой, цифровой, комбинированной). Оптимизируя обработку, учитывают также условия распространения радиоволн в средах, отличающихся от свободного пространства.

Параметры помех и сред распространения обычно заранее неизвестны. Важна поэтому адаптация (приспособление) пространственно-временной обработки сигналов к текущим условиям работы радиолокационного средства или системы. Наряду с этим повышается роль адаптации по отношению к пространственно-временной модуляции излучаемых сигналов.

Классификация радиолокационных систем

Классификацию радиолокационных систем так же, как и классификацию радиотехнических систем, можно проводить по различным признакам. В зависимости от используемых классификационных признаков радиолокационные системы подразделяются:

• по месту установки (на наземные, корабельные, авиационные, космического базирования);
• по назначению (на РЛС обнаружения целей, управления оружием, обеспечения полетов, метеорологические, навигационные, опознавания государственной принадлежности, многофункциональные);
• по рабочему диапазону длин волн (на станции декаметрового, метрового, дециметрового, сантиметрового, миллиметрового диапазонов длин волн, многодиапазонные);
• по виду излучения (на РЛС импульсного, непрерывного, квазинепрерывного, шумового и комбинированного излучения);
• по числу измеряемых координат (на двухкоординатные - обычно дальность и азимут, трехкоординатные - обычно дальность, азимут и угол места);
• по числу занимаемых позиций (на однопозиционные и многопозиционные).

Рассмотрим задачи, решаемые РЛС в зависимости от места их установки.

Наземные РЛС можно разделить на:

• РЛС надгоризонтного обнаружения (НГО);
• РЛС загоризонтного обнаружения (ЗГО);
• РЛС подповерхностной радиолокации.

Системы НГО работают в метровом, дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн (0,03...300 ГГц), подразделяются на стационарные и подвижные (мобильные): самоходные, буксируемые, возимые, переносные. По решаемым задачам (назначению) они подразделяются на РЛС:

• управления воздушным движением (УВД);
• обнаружения, наведения и целеуказания;
• обнаружения маловысотных целей;
• наведения зенитных управляемых ракет;
• орудийной наводки;
• радиолокационной разведки на поле боя: наземной разведки, наземной артиллерийской разведки, обнаружения стреляющих минометов и стартующих ракет;
• высотомеры;
• предупреждения о ракетном нападении (ПРН);
• противоракетной обороны (ПРО);
• контроля космического пространства (ККП);
• полигонные;
• метеорологические и др.

РЛС загоризонтного обнаружения (или загоризонтные РЛС) основаны^[16] на использовании эффекта отражения радиоволн декаметрового диапазона (З...30 МГц) от ионосферы Земли и работают в режиме обратного рассеяния радиоволн, при котором сигнал принимается в месте излучения, или же в режиме прямого рассеяния, когда падающий и рассеянный потоки радиоволн распространяются в одну сторону. Загоризонтные РЛС могут быть односкачковыми и многоскачковыми. Они предназначены для:

• наблюдения на больших площадях за состоянием поверхности морей и океанов, а также за движением кораблей и самолетов;
• обнаружения областей с отчетливо выраженной плазменной неоднородностью, создаваемой стартующими баллистическими ракетами и метеорными следами;
• ионосферных исследований.

Дальность действия загоризонтных РЛС достигает^[17] нескольких тысяч километров.

Радиолокаторы подповерхностного зондирования предназначены для обнаружения полостей в грунте, различных объектов, сооружений из бетона, определения толщины льда, подводной радиолокации и др. Достижимая глубина проникновения может составлять^[18] до нескольких сотен метров.

Корабельные РЛС предназначены для обнаружения и сопровождения воздушных и надводных целей, обзора надводной и береговой поверхности, целеуказания, наведения зенитных управляемых ракет и орудий, а также для кораблевождения и навигации (определения местонахождения кораблей, их скорости и проверки курса). Для обеспечения необходимого обзора антенные системы корабельных РЛС устанавливают на мачтах, а для устранения влияния качки корабля стабилизируют или расширяют сектор обзора по углу места. На современных кораблях число РЛС может быть более^[19] 50.

Авиационные (самолетные) РЛС делятся на: РЛС обзора воздушного пространства, РЛС землеобзора, многофункциональные РЛС.

К РЛС обзора воздушного пространства относятся системы:

• перехвата и прицеливания;
• дальнего радиолокационного обнаружения (дозора) и наведения (управления);
• защиты своих самолетов;
• обхода препятствий в воздухе (например, грозовых образований) и др.

К радиолокационным системам землеобзора относятся^[20] :

• панорамные;
• бокового обзора с антенной, расположенной вдоль фюзеляжа;
• бокового обзора с синтезированной апертурой (РСА);
• подповерхностной радиолокации.

РЛС космического базирования применяются для дистанционного исследования (в том числе и картографирования) Земли и планет, обеспечения сближения, стыковки и посадки космических аппаратов. Обсуждаются^[21] также возможности создания и использования РЛС космического базирования для решения задач противовоздушной и противокосмической обороны.

Использование автоматизированных систем диагностики, поиска неисправностей и восстановления работоспособности обеспечивает длительную непрерывную работу РЛС без выключения на обслуживание и с сохранением всех основных параметров на 20 суток и более, а время восстановления работоспособности - не более чем 0,3...0,5 ч.

Спутниковая навигационная система позволяет осуществлять быструю высокоточную топопривязку. Использование такой аппаратуры повышает мобильность РЛС.

Формирование отраженного радиолокационного сигнала

Вторичное излучение электромагнитных волн. Эффективная площадь рассеяния целей. Явление вторичного излучения, лежащее в основе активной радиолокации, свойственно волнам любой природы. Оно возникает всякий раз, когда волна встречает препятствие на пути своего распространения. Падающую на препятствие волну называют первичной, отраженную, или рассеянную, - вторичной. Препятствие в этом случае является пассивным вторичным излучателем.

Препятствием для радиоволн служит любая неоднородность электрических параметров среды (абсолютной диэлектрической проницаемости, абсолютной магнитной проницаемости, проводимости). В радиолокации интерес представляют как объекты с большой проводимостью, так и объекты с малой проводимостью (диэлектрики): гидрометеоры, неоднородности тропосферы и др. Под действием электрического поля волны на облучаемой поверхности, например проводящей, возникают колебания электрических зарядов. Наведенные при этом токи проводимости являются источником излучения вторичных электромагнитных волн. В диэлектрике таким же источником являются токи смещения.

Характер вторичного излучения зависит^[22] от многих факторов, основными из которых являются электрические свойства, геометрическая форма, движение и взаимное перемещение элементов отражающего объекта, соотношение размера объекта и длины облучающей его волны, соотношение размеров объекта и разрешаемого объема пространства (объект считается сосредоточенным, если он попадает в пределы одного разрешаемого объема, и объемно распределенным, если занимает несколько разрешаемых объемов), закон модуляции и поляризация облучающей электромагнитной волны.

Основные виды помех активной радиолокации

Как и в любой радиотехнической системе, в радиолокации может существенно сказываться^[23] влияние различного рода помех. Роль помех в активной радиолокации может оказаться еще большей, чем в других РТС, поскольку обычно имеет место существенное ослабление сигнала на пути распространения до цели и обратно. Кроме того, в радиолокации важное значение имеют некоторые специфические виды помех, с которыми гораздо реже приходится считаться, например, в радиосвязи. Такими помехами являются, в частности, пассивные помехи, вызываемые переотражениями от мешающих объектов. По своему происхождению помехи могут быть естественными, взаимными и искусственными.

Естественными являются помехи природного происхождения. Например, естественные пассивные помехи образуются в результате переотражений от холмов, гор, облаков и т.д. Естественные активные помехи создаются излучениями Солнца и других внеземных источников.

Взаимными называют активные помехи, вызываемые влиянием излучений различных радиоэлектронных средств друг на друга. Наряду с взаимными активными помехами иногда наблюдаются также взаимные пассивные помехи, когда в гористой местности помеха радиолокатору создается за счет переотражения колебаний, излучаемых другим радиолокатором.

Искусственные активные и пассивные помехи создаются для радиолокаторов военного назначения. Такие помехи широко применялись во время боевых действий в ходе Второй мировой войны, войн в Корее, во Вьетнаме, на Ближнем Востоке, в Югославии и других локальных конфликтах. Создание помех является одной из форм радиоэлектронной войны (борьбы), а радиоэлектронная война считается важной составной частью информационной войны.

По характеру воздействия на подавляемое средство помехи делятся на маскирующие и имитирующие. Маскирующие помехи создают фон, на котором трудно выделить сигнал, прикрываемый помехой; наряду с этим они обычно подавляют сигнал в нелинейных элементах приемника РЛС. Имитирующие помехи создают эффект ложных целей, затрудняя получение информации об истинных целях. Каждая из трех указанных выше разновидностей помех - естественная, взаимная и искусственная - может быть, в свою очередь маскирующей и имитирующей.

Естественные и взаимные маскирующие активные помехи и принципы защиты от них. Существуют два основных вида источников естественных маскирующих активных помех: дискретные и распределенные. К дискретным источникам помех относятся Солнце, Луна и радиозвезды. К распределенным источникам - галактические шумы, излучение атомарного водорода и шумы атмосферы. Из дискретных источников практически влияние на работу радиолокационных станций СВЧ диапазона могут оказывать Солнце и в меньшей степени Луна. Плотность потока мощности Солнца на длине волны 10 см оказывается^[24] порядка (1020...10-18) Вт/м2 Гц, где большее число соответствует повышенной солнечной активности. Эта плотность превышает плотность излучения абсолютно черного тела при температуре 6000 К в 10...1000 раз. На длине волны 1м плотность потока мощности будет (10-23...10-17) Вт/м2 Гц. Из распределенных источников преобладающим является собственное тепловое излучение атмосферы.

В последнее время очень важную роль начинают играть взаимные помехи. По мере стремительного увеличения числа используемых радиоэлектронных средств резко возрастает опасность их взаимных влияний. Чтобы устранить эти влияния, практикуется плановое распределение рабочих частот между различными радиоэлектронными средствами (радиолокационными, в частности) как на основе международных соглашений, так и на основе внутренних регламентации в пределах каждой страны, каждой отрасли народного хозяйства и военного дела. Тем не менее, при отсутствии должных мер защиты от взаимных помех наблюдается взаимное влияние радиоэлектронных средств даже с различными рабочими частотами. Последнее имеет место при наличии внеполосных и побочных излучений радиоэлектронных средств. Наряду с внеполосными и побочными излучениями причиной взаимных помех являются побочные каналы приема в супергетеродинных приемных устройствах. Известно, что при воздействии на смеситель приходящих колебаний частоты и колебаний гетеродина частоты на выходе смесителя образуются колебания ряда комбинационных частот. Если какая-либо из этих частот совпадает с промежуточной, на которую настроены последующие каскады приемника, она усиливается и образуется побочный канал приема.

Характеристики направленности приемных и передающих антенн для внеполосных излучений, побочных излучений и каналов приема обычно отличаются от характеристик направленности для основных каналов излучения и приема, в первую очередь, значительно большим уровнем боковых лепестков.

Во многих случаях может сложиться достаточно сложная обстановка. Действительно, в одном и том же районе передатчики радиоэлектронных средств создают основные, внеполосные и побочные излучения, а приемные устройства этих средств наряду с основными имеют побочные каналы приема. Если основной или побочный канал приема случайно совпадает с основным или побочным каналом излучения и интенсивность излучаемого колебания достаточно велика, может иметь место взаимная помеха, в частности, маскирующая. Так, например, частотно-модулированные и амплитудно-модулированные непрерывные колебания линий связи могут создать маскирующую помеху импульсным радиолокационным приемникам.

Совокупность мер, направленных на исключение взаимных помех, обеспечивает электромагнитную совместимость. Наряду с правильным распределением частот и другими организационными мероприятиями электромагнитная совместимость достигается^[25] за счет фильтрации побочных излучений в передающих устройствах, гетеродинных колебаний в приемных трактах, за счет правильного использования условий распространения, особенностей местности, выбора режимов работы радиолокационных средств.

Пассивные маскирующие помехи и способы их создания. К естественным пассивным помехам относятся радиопомехи, создаваемые природными отражателями (местными предметами, водной поверхностью, гидрометеорами, северными сияниями и т.д.). Эти помехи могут существенно нарушать работу аэродромных радиолокаторов, обеспечивающих посадку самолетов, и радиолокаторов военного назначения, используемых для обнаружения целей, особенно на малых высотах.

Наибольшее распространение из искусственных маскирующих пассивных помех получили помехи, создаваемые дипольными противорадиолокационными отражателями. Они представляют собой пассивные полуволновые вибраторы, изготовленные из металлизированных бумажных лент, фольги или металлизированного стеклянного или капронового волокна. Длина узкополосных резонансных вибраторов выбирается примерно равной половине длины волны подавляемой РЛС. Ширина лент в зависимости от их длины может быть в пределах от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, а диаметр волокна - от десятков до сотен микрон при толщине металлического покрытия порядка единиц микрон.

Обычно дипольные отражатели собираются в пачки таким образом, чтобы каждая пачка по своим отражающим свойствам имитировала реальную цель. Число отражателей в пачке зависит от диапазона длин волн, в котором работает подавляемая РЛС.

Основной недостаток таких пачек - узкий диапазон перекрываемых частот (5... 10% от резонансной). Полоса частот расширяется, если пачки комплектовать из вибраторов различной длины или увеличивать длину и поперечные размеры диполей. Пачки помещают между специальными лентами, которые наматываются на барабаны, расположенные в кассетах. Ими могут снаряжаться противорадиолокационные патроны. Возможно также создание пассивных помех с нарезкой дипольных отражателей на борту самолета в зависимости от разведанного диапазона частот подавляемой РЛС.

Для маскировки воздушных целей дипольные отражатели сбрасываются в окружающее пространство при помощи автоматов или бомб (в заднюю полусферу) или выстреливаются при помощи пушек и ракет (в переднюю и заднюю полусферы). При этом могут создаваться как сплошные полосы (облака) пассивных отражателей, так и разрывные.

Методы защиты от пассивных маскирующих помех

Основные различия сигналов целей и пассивных маскирующих помех. Сигналы, отраженные от целей, и пассивные маскирующие помехи в общем случае имеют различные статистические характеристики. Для сигналов и помех, распределенных по нормальному закону, эти различия сводятся к различиям их корреляционных матриц, которые, в свою очередь, обусловлены различиями некоторых физических характеристик целей и отражателей, создающих пассивную помеху. К числу этих различий можно отнести^[26] следующие:

• различие мешающих отражателей и целей по характеру распределения в пространстве. Цель обычно близка к сосредоточенному объекту, мешающие отражатели распределены в пространстве. Повышая разрешающую способность по координатам и сокращая при этом размеры разрешаемого объема (во всяком случае, до размеров, превышающих размеры самолета), можно добиться улучшения наблюдаемости сигнала на фоне пассивных помех;
• различия в поляризации отраженных сигналов наблюдаются, если пассивная помеха создается, например, гидрометеорами (дождь, тучи), состоящими из мелких капель, имеющих форму шара. Если гидрометеоры облучаются колебаниями с круговой поляризацией, то они отражают колебания также с круговой поляризацией, но с обратным (в направлении распространения волны) вращением плоскости поляризации. Если приемная антенна не воспринимает колебания с такой поляризацией, она, тем не менее, может принимать колебания от целей, обладающих несимметрией структуры;
• различия в скорости перемещения мешающих отражателей и цели. Скорость перемещения наземных мешающих отражателей относительно наземной радиолокационной станции близка к нулю, в то время как представляющие практический интерес цели перемещаются с достаточно большой скоростью.

Если пассивная помеха создается противорадиолокационными отражателями, то эти отражатели, будучи сброшены с самолета, быстро приобретают скорость, близкую к скорости ветра. Поскольку скорость ветра не постоянна по высоте, имеет место разброс скоростей противорадиолокационных отражателей. Тем не менее, различия в радиальных скоростях целей и отражателей имеются и могут быть использованы для селекции. Селекцию по скорости (или по эффекту движения цели) называют селекцией движущихся целей (СДЦ). В основе СДЦ лежит явление деформации структуры сигнала при отражении от движущейся цели.

Глава 3. Радиолокационный мониторинг
техносферы Земли

3.1. База радиоволнового
неразрушающего контроля

Радиоволновой неразрушающий контроль основан на анализе взаимодействия электромагнитного излучения радиоволнового диапазона с объектами контроля. На практике наибольшее распространение получили сверхвысокочастотные (СВЧ) методы, использующие диапазон длин волн от 1 до 100 мм. Взаимодействие радиоволн может носить характер:

• взаимодействия только падающей волны (процессы поглощения, дифракции, отражения, преломления, относящиеся к классу радиооптических процессов);
• взаимодействия падающей и отраженной волн (интерференционные процессы, относящиеся к области радиоголографии).

Кроме того, в радиодефектоскопии могут использоваться специфические резонансные эффекты взаимодействия радиоволнового излучения (электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс и др.).

Использование радиоволн перспективно по двум причинам:

1. достигается расширение области применения неразрушающего контроля, так как для контроля диэлектрических, полупроводниковых, ферритовых и композитных материалов радиоволновые методы наиболее эффективны;
2. появляется возможность использования радиоволн СВЧ диапазона.

Особенности использования волн СВЧ:

• диапазон СВЧ позволяет получить большой интервал мощностей генерируемых волн, что удобно для контроля материалов и сред различной степени прозрачности, от весьма тонких до таких, как мощные бетонные основания;
• волны СВЧ легко получить в виде когерентных поляризованных гармонических электромагнитных колебаний, а это дает возможность обеспечивать высокую чувствительность и точность контроля, используя интерференционные явления, возникающие при взаимодействии когерентных волн с диэлектрическим слоем;
• с помощью СВЧ можно осуществить бесконтактный контроль качества при одностороннем расположении аппаратуры по отношению к объекту - способ контроля на отражение;
• волны диапазона СВЧ могут быть остро сфокусированы, что позволяет обеспечить локальность контроля, минимальный краевой эффект, помехоустойчивость по отношению к близкорасположенным предметам, исключить влияние температуры объекта контроля на измерительные датчики и Т.п.;
• информация о внутренней структуре, дефектах и геометрии содержится в большом числе параметров полезного СВЧ сигнала: амплитуде, фазе, коэффициенте поляризации, частоте и Т.д.;
• применение радиоволн СВЧ диапазона обеспечивает весьма малую инерционность контроля, позволяя наблюдать и анализировать быстропротекающие процессы;
• аппаратура диапазона СВЧ может быть выполнена достаточно компактной и удобной в эксплуатации;
• при использовании резонансных радиоволновых СВЧ методов имеется возможность многопараметрового контроля геометрии, состава и структуры материалов в «здоровой» и «дефектной» зонах.

Преимущественная область применения методов и техники СВЧ - это контроль полуфабрикатов, изделий и конструкций из диэлектрических, композитных, ферритовых и полупроводниковых материалов. При контроле объектов из различных металлов и сплавов радиоволны могут использоваться только для измерения геометрических размеров, так как от металлических структур радиоволны полностью отражаются. Поэтому измерение толщины металлических листов, проката, лент возможно только при двухстороннем расположении измерительных преобразователей.

Электромагнитная волна представляет собой совокупность быстропеременных электрического Е и магнитного Н полей, распространяющихся в определенном направлении z. В свободном пространстве электромагнитная волна поперечна, Т.е. векторы Е и Н перпендикулярны направлению распространения волны z (продольная волна отсутствует) (рис. 3.1).

При радиоволновом контроле диэлектрических материалов необходимо знать диэлектрическую постоянную и тангенс угла диэлектрических потерь tg (обычно для диэлектриков магнитная проницаемость = 1) (табл. 3.1), для полупроводников и магнитных материалов необходимо учитывать и, для металлов в основном имеет значение величина проводимости.

В неограниченной диэлектрической среде без потерь = 1; = 0, наличие магнитной составляющей поля связано с существованием электрической составляющей Е, играющей основную роль в современных средствах контроля.

Рис. 3.1. Схема расположения векторов Е, Н и S в бегущей электромагнитной волне

Таблица 3.1.

Диэлектрические свойства сухих материалов в диапазоне сверхвысоких частот