О ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ОРБИТАЛЬНОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ ПРОНИКАЮЩЕГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Институты и фирмы многих стран ведут исследования и проектные работы по созданию разнообразных радиолокационных станций проникающего (подповерхностного) зондирования – РЛСПЗ. В большинстве случаев это приборы контактного типа со сверхширокополосным зондирующим сигналом [1,2]. Испытаны и самолётные варианты РЛСПЗ [3,4]. Особый же интерес представляют орбитальные РЛСПЗ, которые ещё предстоит разработать. С их помощью можно было бы, прежде всего, вести постоянное наблюдение за толщиной дрейфующих льдов Арктики и Антарктиды, изменением уровня залегания грунтовых вод в пустынных районах и т. д.

Тем не менее, отдельные фирмы предлагают только контактные РЛСПЗ [5]. Самолётные РЛСПЗ пока не вышли из стадии экспериментальных разработок. Данные же по орбитальным РЛСПЗ просто отсутствуют.

Первый (и последний) промышленный вариант радиолокационного измерителя толщины льдов, идея которого предложена и разработана в Рижском институте инженеров Гражданской авиации [2], получил название "Аквамарин" и использовался для разведки ледовой обстановки Северного Ледовитого океана. Он работал по принципу обычного импульсного радиовысотомера с индикатором типа А. Диапазон измерений толщины льда (без неоднозначности) составлял 0…2 м, а максимальная высота полёта, позволяющая выполнять измерения (проверенная экспериментально) достигала 500 м. Среднеквадратичная погрешность измерений толщины дрейфующих морских льдов на этой высоте составила примерно 16 %. Эти данные позволяют оценить энергетический потенциал "Аквамарина".

Воспользуемся уравнением дальности радиолокации в следующей форме

                                                              (1)

где N_прд - мощность зондирующего сигнала, N_прм- чувствительность приёмника, т. е. минимальная мощность отражённого сигнала, обеспечивающая работоспособность РЛСПЗ с заданной точностью; G – коэффициент направленного действия антенны в вертикальном направлении; n – средний коэффициент отражения; H – высота полёта. Выделим из этого уравнения энергетический потенциал:

                                                                (2)

или, в децибелах:

С достаточной для оценок точностью положим n=1 и G=1, тогда

                                                                                           (3)

Для предельной высоты Н=500 метров, потенциал РЛСПЗ "Аквамарин" составляет примерно 71 дБ. На высоте 10 км, при прочих равных условиях, потребуется - 97 дБ, а орбитальный вариант на высоте 600 км - уже почти 133 дБ. Это много и трудно осуществимо. По-видимому, именно по этой причине фирмы предлагают только контактные РЛСПЗ. Есть, правда, предложение Санкт-Петербургского НИИ Радиоаппаратуры на разработку (НИОКР) авиационного варианта РЛСПЗ, построенного "на принципах построения без несущей частоты" [7]. Таким образом, речь идёт о сверхширокополосном зондирующем сигнале, формируемом, судя по всему, методом ударного возбуждения антенны [6]. В этом случае зондирующий импульсный сигнал хорошо моделируется известным импульсом Максвелла

                                                                   (4)

Понятно, спектр этого импульса сплошной и значимая его часть должна находиться в пределах окна прозрачности дрейфующих морских льдов - 25…200 МГц, что соответствует длительности импульса около 5 нс. Таков примерно и зондирующий сигнал "Аквамарина". Его энергия "размазана" по всему диапазону прозрачности льда. Спектр отражённого сигнала также сплошной и занимает весь диапазон прозрачности. Получить высокую чувствительность приёмника прямого усиления для широкополосного сигнала – большая проблема. Следовательно, сложно обеспечить и достаточный потенциал для зондирования с больших высот. Выполним ориентировочный расчёт.

где Q – средний коэффициент шума, k=1,38× 10^-23 Дж/^oК - постоянная Больцмана, T₀ =290 ^oК - номинальная (стандартная ) температура, K₀ - эффективный коэффициент усиления приёмника, D F_прм - эффективная полоса приёмника. Допустим, что коэффициент шума приёмника Q равен единице, то есть источником шума величиной kT₀ является только антенна, тогда

N₀[дБ]= 10lgK₀+10lgD F_прм -204.                                       (5)

Для оценки погрешностей радиолокационных станций проникающего зондирования (РЛСПЗ) была разработана цифровая имитационная модель. Она позволила оценить минимальное отношение сигнал/шум S=21 дБ для импульсной РЛСПЗ, достаточное для измерения толщины дрейфующих морских льдов с погрешностью, не превышающей 15%.

где V =10lg[(D F_прд+2F_Допл.)/D F_прм) – отношение эффективной ширины спектра зондирующего сигнала с учётом доплеровского сдвига к эффективной полосе приёмника в дБ, и запишем потенциал

                                 (6)

Оценим теперь необходимую мощность зондирующего сигнала, эффективная ширина спектра которого находится в интервале 25…200 МГц, полоса приёмника - в этом же диапазоне (т. е. V=0) с эффективным коэффициентом усиления 30 дБ, допустимое отношение сигнал/шум - 21 дБ, потенциал – 71 дБ. Вот результаты:

Теперь совершенно очевидна причина, почему все предлагаемые фирмами РЛСПЗ – контактного типа: не хватает мощности передатчика. И хотя большинство РЛСПЗ импульсного типа, однако, скважность импульсов очень мала, всего 5…7, поэтому речь идёт не об импульсной, а о средней мощности. Одно дело – всего 1 Вт на высоте 500 м, и совсем иное дело 1600000 Вт фактически непрерывного излучения на орбите.

Индикаторами первых импульсных РЛСПЗ служили стробоскопические осциллографы, позволяющие сжимать спектр периодических сигналов. Недостатки их хорошо известны. Это, прежде всего, большой уровень вносимых шумов, особенно при флюктуирующих сигналах. Разработчики РЛСПЗ "Аквамарин" нашли способ избавиться от стробоскопического приёма. Зондирующий сигнал формировался ударным возбуждением широкополосной антенны – диполя. Приём отражённого сигнала выполнялся путём синхронного детектирования и представлял собой сумму семи синусоид

                                            (7)

амплитуды A_k и фазы которых устанавливал оператор. Нижняя частота в спектре f₀ = 25 МГц. Здесь m » 15×10⁵ – коэффициент сжатия спектра отражённого сигнала. Полоса пропускания каждого из семи синхронных детекторов D F_сд » 100 Гц, поэтому общая полоса принятого сигнала D F_прм» 700 Гц. Таким образом, из всего спектра отражённого сигнала шириной 175 Мгц с помощью гребенчатого фильтра вырезалось всего 700 Гц. Поскольку уменьшение мощности отражённого сигнала, очевидно, сопровождается таким же снижением и шума (напомним, что коэффициент шума принят равным единице), то это не приводит к изменению мощностей зондирующих сигналов: 

Не стоило бы приводить эти расчёты, которые способен выполнить студент, прослушавший курс основ радиолокации, если бы не одно обстоятельство. Дело в том, что даже умудрённые опытом разработчики "Аквамарина", завороженные, по-видимому, терминами "видеоимпульсное зондирование", "сверхширокополосный сигнал", не заметили, что, стараясь получить на экране изображение сверхширокополосных отражённых сигналов, потеряли по пути всю их "сверхширокополосность"! Но они были пионерами исследований РЛСПЗ. И это было четверть века назад. Но и сегодня не замечают того, что, излучая и принимая сверхширокополосные сигналы, реально используют лишь незначительную часть их спектров. Вот поэтому нет ни авиационных, ни орбитальных РЛСПЗ – практически только контактные.

Решение же проблемы до примитивности простое: спектр зондирующего сигнала и частотная характеристика приёмника должны быть согласованы. Классика радиотехники. И если сигнал принимается гребенчатым фильтром, реализованным, например, набором синхронных детекторов, равномерно распределённых по окну радиопрозрачности дрейфующих льдов, то и спектр амплитуд зондирующего сигнала должен быть таким же. Для "Аквамарина" оптимальным будет зондирующий сигнал вида [7] при m=1, суммарная ширина спектра которого практически равна нулю и его нетрудно синтезировать из синусоид, что, кстати, и было предложено достаточно давно Л. А. Робинсоном [9]. Однако и Робинсон, почему-то зондирующий сигнал с гребенчатым спектром принимал широкополосным усилителем и проигрывал в энергетике точно так же, как и разработчики "Аквамарина".

Вот результаты согласования спектров при прочих равных условиях: 

 Вот такой РЛСПЗ можно установить и на спутнике. Однако, приверженцы "сверхширокополосных" методов зондирования могут не согласиться с таким решением проблемы, поскольку, на первый взгляд, сигнал, с шириной спектра всего в 700 Гц, не может быть сверхширокополосным (не раз встречался с таким возражением). Тут уместно напомнить, что сигнал считается узкополосным, если