Александр Бабакин - Битва в ионосфере

Следует подчеркнуть, что «простой» перенос в загоризонтную радиолокацию методов обнаружения, принятых в надгоризонтной радиолокации, без должного учета дисперсных свойств ионосферы, оказался неоправданным. Он стал источником несоответствия ЗГРЛС предъявляемым к ним требованиям.

При диффузной многолучевости цель облучается множеством сигналов «непрерывно» следующих один за другим на ограниченном интервале радиотока ионной задержки. При определенном значении задержки внутри этого интервала возникает нарушение начальной фазировки (когерентности) составляющих спектра распространяющегося сигнала. В результате спектр принимаемого сигнала расчленяется на две части: когерентную, в пределах которой сигнал достаточно сфазирован и является предметом обнаружения, и некогерентную, в пределах которой он «размытый» (несфазирован) и не может обнаруживаться соответствующими алгоритмами. Соотношение между сфазированной и несфазированной частями спектра определяется отношением полосы когерентности ионосферы к полосе излученного сигнала. Полоса когерентности ионосферы служит мерой диффузной многолучевости и определяется как диапазон частот, в пределах которого коэффициент взаимной корреляции амплитуд любых двух монохроматических колебаний не ниже некоторого допустимого значения. Она носит случайный характер и принимает значения от сотни герц до единиц килогерц. Только в редких случаях отсутствия диффузной многолучевости полоса когерентности ионосферы становится более широкой, достигая 10–20 кГц. Для приполярной ионосферы полоса когерентности сосредоточена в области нижних значений. В ЗГРЛС применяется сигнал с шириной спектра 20 кГц. Поэтому амплитуда сфазированной части принятого сигнала меньше амплитуды расфазированной части в 15-200 раз (-20 дБ — *-40 дБ по мощности). Несфазированная часть сигнала имеет вид псевдослучайного шума, являющегося помехой обнаружениям. При указанных для ЗГРЛС соотношениях сфазированной и несфазированной частей сигнала невозможность радиолокационного обнаружения цели становится очевидной.

Таким образом, отраженный от цели сигнал, спектр которого шире полосы когерентности ионосферы, сам несет маскирующую себя помеху, снижающую вероятность обнаружения цели вплоть до нуля. Устранить эту помеху можно сужением спектра излучаемых сигналов до минимальных значений. Но в этом случае ЗГРЛС будет лишена возможности обнаруживать цели из-за маскирующего влияния сигналов, отраженных от Земли. Для исключения этого влияния необходимо заменить потерянное разрешение по дальности, которое в загоризонтной радиолокации оказывается ограниченным полосой когерентности ионосферы (а не полосой излученного сигнала), на соответствующее разрешение по спектру доплеровских частот цели. Реализовать это можно в том случае, когда спектр доплеровских частот занимает полосу меньшую, чем частота повторения излучаемых сигналов. В противном случае спектр отражаемого сигнала принимает псевдослучайный вид, маскирующий спектр доплеровских частот цели. При свойственных для ЗГРЛС соотношениях (ширина спектра доплеровских частот цели в 10–60 раз больше частоты повторения) оценка доплеровского спектра цели принятыми в радиолокации способами становится невозможной. Так образовался порочный круг, из которого нет выхода в рамках существующих в радиолокации способов обработки принятого сигнала. В этом и заключается суть причины, из-за которой многолетние попытки повысить обнаружительную эффективность ЗГРЛС не давали положительных результатов.

Использование регуляризирующих алгоритмов как средства достижения максимально возможных обнаружительных характеристик ЗГРЛС требует опорных сведений о свойствах доплеровского спектра цели и о свойствах источников, искажающих как этот спектр, так и радиолокационную задержку принимаемых сигналов. Используя эти сведения, регуляризирующие алгоритмы приводят принятый искаженный сигнал к неискаженному виду (восстанавливают). Имеющееся количество опорных сведений можно оценить как приближенно достаточное для построения регуляризирующих алгоритмов. Дальнейшие процедуры обнаружения, после восстановления сигнала, можно производить общепринятыми методами. Теория этих алгоритмов разработана в последние 15–20 лет советскими математиками. Наиболее эффективным является метод «регуляризации по Тихонову», требующий незначительного объема опорных сведений и дающий высокую точность восстановления. Начало исследований возможности применения этого метода к задачам ЗГРЛС относится к 1980 году. Разработка принципиальных вопросов применения метода выполнена совместно с факультетом прикладной математики МГУ под руководством А.Н.Тихонова. Дальнейшая разработка вопросов, связанных с использованием этого метода в ЗГРЛС, и произведенные аналитические оценки показали, что доработка ЗГРЛС на базе этого метода позволяет минимизировать отрицательное влияние диффузной многолучевости ионосферного распространения радиоволн и обеспечить вполне приемлемые обнаружительные характеристики ЗГРЛС. Открытым остался вопрос о разрешающей способности для случая применения регуляризирующих алгоритмов. Он требует специального определения и соответствующего отдельного рассмотрения. В настоящее время следует полагать, что обнаружение массового старта необходимо производить как обнаружение определенной сигнальной картины, соответствующей тому или иному виду старта, с ограниченной оценкой числа стартующих ракет.

Основное содержание необходимой доработки ЗГРЛС заключается в следующем:

— Внедрить алгоритм оперативной оценки полосы когерентности ионосферы и выбора оптимального спектра излучаемых сигналов. Входной сигнальной информацией для него могут служить сигналы, отраженные от Земли, с соответствующим учетом протяженности отражающего участка (могут быть и другие виды этой информации);

— Внести коррективы в алгоритм выбора частот, минимизирующих затухание (алгоритм ОЧУР), с целью назначения частот, как с учетом затухания, так и с учетом полосы когерентности ионосферы;

— Внедрить регуляризирующий алгоритм восстановления двумерной (задержка, частота) функции взаимной неопределенности;

— Внести коррективы в программно-алгоритмический комплекс, вытекающие из внедрения выше указанных алгоритмов.

Очевидно, что перед доработкой боевых образцов ЗГРЛС необходимо отработать соответствующие проектные решения на экспериментальном образце в Николаеве и уточнить количественную оценку их эффективности с помощью запусков ракет из дальней зоны.

К выводу о неизбежной необходимости ввести в ЗГРЛС мероприятия, обеспечивающие минимизацию отрицательного влияния диффузной многолучевости, я пришел в 1984 году. Тогда же доложил об этом заинтересованным товарищам. Заключение комиссии, созданной по этому поводу Минрадиопромом, по-видимому, не сыграло достаточную роль — вопрос о введении в ЗГРЛС регуляризирующих алгоритмов с учетом полосы когерентности ионосферы остается открытым. Игнорирование этого вопроса не позволит повысить обнаружительную способность ЗГРЛС. Это принципиальный вопрос. Он касается всей загоризонтной радиолокации. Неучет полосы когерентности ионосферы адекватен неучету затухания радиолокационных сигналов. Для всех очевидно, что без оперативного выбора частот, минимизирующих затухание радиолокационных сигналов в ионосфере, загоризонтная радиолокация невозможна. В такой же мере это относится и к полосе когерентности ионосферы — без применения регуляризирующих алгоритмов, минимизирующих разрушение информативности радиолокационных сигналов в ионосфере, загоризонтная радиолокация также невозможна. Задачи эти имеют разную физическую природу и не могут быть взаимно заменимы. Только одновременное их решение способно обеспечить устойчивую, достаточно высокую результативность загоризонтного обнаружения целей. В противном случае она неизбежно будет носить эпизодический, ни чем не управляемый, характер. Краткие аналитические описания воздействия диффузной многолучевости на радиолокационный сигнал и регуляризирующего алгоритма приведены в приложении к настоящей записке». Под этим документом стоит подпись — Главный конструктор Ф.А. Кузьминский (до 30.06.83 г.).