Введение в СШП технологию

Подавляющее большинство даже "продвинутых" в технике людей практически ничего не слышали про такую область радиотехники, как сверхширокополосные (СШП) технологии. И неудивительно - такие системы не купишь в магазине, про них не знают продавцы на радиорынках, сложно найти даже в интернете. Во многом это следствие того, что только в последние годы появляется элементная база, способная раскрыть все их возможности. А также имеет большое значение их кардинальное отличие от традиционных радиотехнических систем, а все новое всегда с трудом пробивает себе дорогу. Поэтому тем, кто заинтересован в новых качествах СШП систем, важно понять азы данной технологии.

Большинство традиционных радиотехнических систем работает в относительно узкой полосе частот и в качестве несущего колебания для передачи информации использует гармонические (синусоидальные) сигналы. Однако именно ширина полосы частот определяет информативность радиотехнических систем, и для повышения информационных возможностей системы необходимо расширять ее полосу частот.

В связи со стремительной информатизацией общества и постоянным увеличением информационных потоков эта проблема становится все более актуальной как для радиосвязи, так и для радиолокации. Актуальность проблемы и определила быстрое развитие в последние годы технологий, использующих сверхширокополосные (СШП) сигналы.

В соответствии с определением СШП сигналов, введенным экспертами DARPA Министерства обороны США и уточненным Федеральной комиссией по связи (FCC) США, ширина спектра сигнала должна быть больше 25% от центральной частоты. И хотя это определение не охватывает всего многообразия сверхширокополосных систем и сигналов, оно в настоящее время используется большинством разработчиков.

Проблема перехода к СШП сигналам особенно актуальна для радиолокации. Обычные радары с полосой частот, не превышающей 10% от несущей частоты, позволяют только обнаруживать цель и выдавать ее координаты (с относительно невысокой точностью), но не позволяют получить образ цели или ее изображение. Для повышения информативности радара используется режим распознавания типа цели, который позволяет по некоторым признакам ("радиопортрету") после соответствующей обработки получить дополнительную информацию. Для данного режима необходимо существенное увеличение полосы частот радара и, как следствие, новые подходы, как в методах, так и в технологиях.

Повышение информативности радара при использовании сигналов со сверхширокой полосой частот происходит благодаря уменьшению импульсного объема по дальности. Так, при уменьшении длительности излучаемого импульса с 1 мкс до 1 нс глубина импульсного объема радара уменьшается с 300 м до 30 см. Таким образом, инструмент, который исследует пространство, становится значительно более тонким и чувствительным. А ширина полосы СШП сигнала достигает нескольких гигагерц.

В результате уменьшения импульсного объема СШП радар приобретает ряд новых качеств:
- повышается точность измерения расстояния до цели и разрешающая способность по дальности;
- уменьшается "мертвая зона" радара;
- производится распознавание класса и типа цели, а также получается "радиопортрет" цели, поскольку принятый сигнал несет информацию не только о цели в целом, но и об ее отдельных элементах;
- повышается устойчивость радара к воздействию всех видов пассивных помех – дождя, тумана, подстилающей поверхности, аэрозолей, металлизированных полос и т.п., поскольку эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) помех в малом импульсном объеме становится соизмеримой с ЭПР цели;
- повышается устойчивость радара к воздействию внешних электромагнитных излучений и помех;
- повышается вероятность обнаружения и устойчивость сопровождения цели за счет увеличения ЭПР цели;
- повышается вероятность обнаружения и устойчивость сопровождения цели за счет устранения лепестковой структуры вторичных ДН облучаемых целей, так как колебания, отраженные от отдельных частей цели не интерферируют;
- повышается устойчивость сопровождения цели под низким углом места за счет устранения интерференционных провалов в диаграмме направленности (ДН) антенны, поскольку сигнал, отраженный от цели и сигнал, переотраженный от земли, разделяются во времени, что позволяет произвести их селекцию;
- появляется возможность изменения характеристик излучения (ширины и формы диаграммы направленности) путем изменения параметров излучаемого сигнала; в том числе появляется возможность получить сверхузкую ДН;
- повышается скрытность работы радара.

Широкое и повсеместное распространение СШП сигналов требует также кардинально нового подхода к функциональному построению, техническим, технологическим и методическим решениям критических узлов систем. Революционные достижения последних лет в технологическом комплексе создания устройств генерации, излучения, приёма и обработки сигналов на основе передовых методов и решений дают возможности практической реализации систем с СШП сигналами, что ранее было достижимо лишь в отдельных лабораторных и экспериментальных образцах. Появились следующие технологии, базовые для СШП радиоэлектроники:

- технологии генерации сверхкоротких (длительностью 1 нс и короче) импульсов с практически неограниченным ресурсом с высокой стабильностью и большой частотой повторения;

- технологии излучения таких импульсов непосредственно в пространство (СШП антенная техника);

- технологии скоростной цифровой обработки больших массивов информации (вычислительная техника).

В этом плане применение в радиолокации СШП сигналов выливается в самостоятельное научно-техническое направление с собственными методами теоретического анализа и нетрадиционными схемотехническими решениями.

Интерес к СШП радарам начал интенсивно расти в 80-х годах. Первой областью их применения должно было стать обнаружение малозаметных целей, где ожидалось их заметное преимущество по сравнению с обычными узкополосными РЛС. Однако полной ясности в решении данной проблемы пока нет. Тем не менее, эта область применения СШП радаров остается актуальной.

Второй областью применения СШП радаров является обнаружение и наблюдение объектов на коротких дистанциях, составляющих единицы и десятки метров. Это радары, обнаруживающие объекты в плотных средах (почва, лед) и радары, обнаруживающие объекты в воздухе. Практическая потребность в этом классе радаров очень большая. Поэтому сегодня создано большое количество действующих военных и промышленных радаров, решающих самые разнообразные задачи. Радары, работающие на малых дистанциях, являются простыми по конструкции и имеют небольшой объем аппаратуры. Это позволяет выполнять их разработку и усовершенствование в очень короткие сроки и быстро реагировать на запросы рынка.

Третья область применения СШП радаров – это получение радиоизображения за счет существенного увеличения количества и повышения качества информации. Такие радары получат также широкое применение, но в более отдаленной перспективе. Сегодня СШП сигналы используются для получения радиоизображения пока только в радарах с синтезированной апертурой, установленных на воздушных носителях. Эти радары предназначаются, как правило, для картографирования местности и для поиска на местности различных объектов, скрытых растительностью или замаскированных иным образом.

Четвертая область применение СШП радаров – это контроль акваторий, аэропортов, лесных массивов, территорий различного назначения. Такие радары занимают промежуточное положение между радарами малой и большой дальности. Они обеспечивают не только высокое разрешение целей, но и большую устойчивость при работе в пассивных и активных помехах.

Не менее актуально использование СШП сигналов в радиосвязи, что позволяют устранить недостатки связных систем, связанные с многолучевым распространением радиоволн.

В последние годы во всем мире наблюдается быстро растущий интерес к СШП технологиям в целом и к СШП радарам в частности. Сегодня в ряде ведущих стран мира в области работ по СШП технологиям сосредотачиваются большие ресурсы. Можно сказать, что началась незримая гонка в области СШП технологий. И тот, кто достигнет успеха, имеет возможность завоевать значительную долю этого перспективного рынка высоких технологий.