Введение в стохастическую радиолокацию

Москва
Горячая линия – Телеком
2017

Допущено УМО вузов по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по специальности  «Радиоэлектронные системы и комплексы»

УДК 621.396.96 
ББК 32.95 
 С61 

Р е ц е н з е н т ы :  доктор техн. наук, профессор  Ю. М. Перунов, Институт 
динамики геосфер Российской Академии Наук;  доктор техн. наук, 
профессор А. М. Бородин, ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А. И. Берга»  

Горбунов Ю. Н., Лобанов Б. С. Куликов Г. В. 

С61          Введение в стохастическую радиолокацию. Учебное пособие 
для вузов. − М.:  Горячая линия – Телеком, 2017. – 376 с.: ил. 
ISBN 978-5-9912-0433-0. 

Рассмотрены основы радиолокации, вопросы реализации когерентноимпульсных систем радиолокации и их компонентов – цифровых систем 
обнаружения и измерения параметров радиолокационных сигналов, 
систем селекции движущихся целей, обеспечивающих выделение полезных 
сигналов от целей на фоне коррелированных помех по доплеровским 
и угловым признакам (пространственным частотам). В отличие от 
традиционного изложения материала, упор сделан на стохастические 
методы обработки сигналов и информации. 
Для студентов, обучающихся по специальности «Радиоэлектронные 
системы и комплексы», а также другим радиотехническим и инфокоммуникационным специальностям, при изучении дисциплин «Устройства приема и 
обработки сигналов», «Основы теории радиолокационных систем и комплексов», «Основы теории систем и комплексов радиоэлектронной борьбы», «Цифровая обработка сигналов», «Пространственно-временная обработка сигналов»; аспирантов и адъюнктов соответствующего профиля, специалистов. 

ББК 32.95 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 

        Все права защищены.
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена в какой бы то 
ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного 
разрешения правообладателя
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком»
www.techbook.ru
© Ю. Н. Горбунов, Б. С. Лобанов, Г. В. Куликов

Введение

Сегодня существование человеческой цивилизации без радиолокации невозможно. Радиолокация, наряду с системами радиосвязи,
радионавигации, радиоуправления, телевидения, является важной
компонентой в системах передачи и переработки огромного количества информации.
В начале XIX века были предприняты первые попытки использовать электрический ток, текущий по проводам, для передачи информации в виде телеграмм. Первый шаг в технике радиосвязи —
изобретение телеграфа, и это связано с именами русских изобретателей Шиллинга и Якоби, а также английских — Кука и Уитсона.
Второй шаг в электросвязи связан с именем Белла (1876 г.),
который изобрел телефон, и стало возможным передавать по линиям
связи живую человеческую речь.
Третий шаг (1895 г.) — наш соотечественник А.С. Попов изобретает радио. B результате этого открывается возможность передавать
информацию на любые расстояния без проводов и дорогостоящих
кабелей.
В 30-х гг. прошлого столетия у нас и за рубежом проводятся
важные работы в области импульсного и другого радиообнаружения.
Бурное развитие радиолокация получила в годы второй мировой
войны и в дальнейшем. Радиолокация на полях сражений давала
преимущества той воюющей стороне, которая могла бы применять
ее втайне от противника.
Радиолокация наделила человека дальнозоркостью, позволяющей «видеть» на большом расстоянии в темноте, тумане, дыме, за
облаками невидимые глазу самолеты, танки, корабли, всплывшие
подводные лодки, людей в завалах и т. д.
Развитие теории и техники радиолокации, соответственно, потребовало подготовки высококвалифицированных специалистов, которые бы могли не только достичь вышеупомянутых целей, но и
определить будущее и перспективы развития радиолокации.
В настоящее время имеется много прекрасных учебников по радиолокации, материалы из которых мы будем упоминать в данном
учебном пособии. Авторами ставилась задача составить учебное пособие на основе наиболее популярных изданий по данной тематике,
включая таких известных авторов (авторских коллективов) под редакцией Я.Д. Ширмана [1], В.Е. Дулевича [4], М.И. Финкельштей

Введение

на [3], И.С. Гоноровского [5, 14], Ю.М. Казаринова, Ю.Г. Сосулина,
П.А. Бакулева, В.А. Вейтцеля, И.Б. Федорова, В.С. Черняка [43],
Е.И. Куликова [6, 20], В.В. Васина [7], К.Ю. Аграновского [2] и др.
Радиолокация не стоит на месте. Появляются ее новые виды:
загоризонтная, нелинейная, подповерхностная, стохастическая, застеночная, био- и др. B качественном плане фундаментальные основы радиолокации сохраняются, так как известно, что классика не
устаревает.
B то же время в теории и технике обработки радиолокационных сигналов появляются новые направления, новые виды
обработки сигналов, например:
• ассоциативная (многопроцессорная) цифровая обработка сигналов;
• пространственно-временная обработка сигналов;
• синтез апертуры;
• рандомизированная обработка сигналов;
• фрактальный анализ (фрактальная обработка) сигналов;
• вейвлет-анализ (вейвлет-обработка) сигналов и др.
В данном учебном пособии мы посчитали возможным сделать
небольшой шаг — реализовать сочетание «классики» и «нового» путем избранного цитирования основных положений радиолокации
(фундаментальных основ) из известных учебников с одновременным введением новых элементов, являющихся наработками авторов.
Среди этих наработок можно назвать следующие: стохастическая
линеаризация цифровой малоразрядной обработки сигналов в РЛС
с СДЦ и ФАР, рандомизация процедур обнаружения и измерения
параметров повторяющегося сигнала, пространственно-временная и
робастная обработка сигналов и ряд других.
Коллектив авторов выражает глубокую признательность сотрудникам различных научных и образовательных учреждений и
организаций, среди которых особую роль в создании книги сыграли
следующие ведущие специалисты:
Панас Андрей Иванович — д.ф.-м.н,
директор ФИРЭ им.
В.А. Котельникова РАН;
Черняк Виктор Самуилович — д.т.н., профессор кафедры «Аналоговых и цифровых РЭС» Радиовтуза МАИ.
Авторы считают своим приятным долгом поблагодарить уважаемых рецензентов профессора, д.т.н. Ю.М. Перунова и профессора,
д.т.н. А.М. Бородина за их труд и ценные замечания, сделанные при
работе над учебным пособием. Отдельная благодарность всем, кто
принял участие на разных этапах подготовки предлагаемой читателям книги и способствовал улучшению качества ее формы и содержания.

Общие сведения о радиолокации

В настоящем разделе даются общие сведения о радиолокации,
ее истории, физических основах радиолокации при измерении пространственного положения и параметров движения целей, основных
тактико-технических характеристиках радиолокационных станций
(РЛС), уравнении радиолокации, радиолокационных целях и характеристиках сигналов при поиске и обнаружении целей, принципах
оптимального приема и согласованной фильтрации с позиции (и под
углом зрения) возможного выявления ресурсов повышения информационных возможностей традиционной радиолокации в условиях
рандомизации обработки и формирования сигналов, проводится
классификация радиотехнических систем (РТС).

1.1. Принципы радиолокации
В этом подразделе дадим общие сведения о радиолокации, ее
физических основах, используемых при измерении пространственного положения и параметров движения целей, приведем классификацию радиотехнических систем.

1.1.1. Определения
Радиолокация — область науки и техники, связанная с разработкой методов и средств получения информации об объектах (целях) за счет передачи, приема, обработки и анализа сигналов с использованием радиоканалов. Предмет радиолокации — получение
информации о положении в пространстве, движении, а также других характеристиках объектов с помощью анализа поступающих от
них радиоволн [1]. Термин «радиолокация» происходит от латинских слов radio — испускаю лучи (radius — луч) и lokatio — место
расположения.
Процесс получения информации называется радиолокационным
наблюдением. Объекты радиолокационного наблюдения называются радиолокационными целями. Не обязательно это цели в военном

Р а з д е л 1

смысле слова (по которым следует стрелять). Это — любые объекты
радиолокационного наблюдения: от ракет, самолетов и кораблей до
органов человеческого тела, северных сияний и т. д. В зависимости
от области применения радиолокации цели могут быть аэродинамическими (самолеты, крылатые ракеты, беспилотные летательные аппараты), баллистическими и космическими (боевые блоки, боеголовки, космические аппараты, предметы техногенного происхождения и
др.), наземными и надводными (например, танки, корабли), подземными и подводными (мины, трубопроводы, подземные коммуникации, подводные лодки); возможны цели природного происхождения
(облака, гидрометеоры, планеты, ориентиры на местности).
Совокупность сведений о радиолокационных целях, получаемых
в процессе радиолокационного наблюдения, называется радиолокационной информацией.
Технические средства получения радиолокационной информации называются радиолокационными станциями (РЛС) или радиолокаторами. Часто применяется международный англоязычный термин «радар» (Radio detecting and ranging). Уже из смысла терминов
«радиолокация» и «радар» ясно, что основными задачами радиолокационного наблюдения цели являются их обнаружение и определение местоположения.
Термин «радар» непосредственно переводится как измеритель
дальности, что является вполне адекватным первым опытам создания импульсных радиолокаторов, в которых доступной к измерению
в первую очередь была задержка сигнала, которая напрямую связана с дальностью до цели.
Более точно, процесс радиолокационного наблюдения во многих
случаях можно разделить на следующие этапы:
1. Обнаружение целей.
2. Измерение их координат и параметров движения (для движущихся целей).
Обнаружение целей состоит в принятии решения о наличии или
отсутствии целей в каждом выделенном участке пространства. К сожалению, нельзя обнаружить сигналы от сколь угодно малой и сколь
угодно далекой цели. Этому препятствуют шумы — непрерывные
хаотически изменяющиеся (случайные) напряжения, возникающие
во входных цепях приемной системы РЛС. Эти собственные шумы
устранить нельзя. Поэтому возможность обнаружения цели зависит
от соотношения интенсивностей принятого от нее сигнала и шума.
Поскольку шум случайный, то даже при одном и том же соотношении интенсивностей сигнала и шума сигнал может обнаруживаться

Общие сведения о радиолокации
7

не всегда, т. е. возможны пропуски сигнала. Это — ошибочные решения. Они называются пропуском цели. Возможны и другие ошибочные решения, когда принимаются решения об обнаружении цели,
хотя цели нет, а есть только шум. Эти ошибочные решения называются ложными тревогами. Теория обнаружения позволяет свести
ошибочные решения к допустимому минимуму.
Элементы теории
обнаружения мы рассмотрим позже.
Шумы влияют не только на обнаружение целей, но и на точность измерения координат обнаруженных целей. Из-за шумов невозможно абсолютно точное измерение. Поэтому измерение сводится к получению оценок координат и скорости целей. При этом также
стремятся свести к минимуму погрешности измерений.
Эту задачу решает теория оценок (измерения), элементы которой мы также
рассмотрим позже.
Помехозащищенность — это способность радиолокатора поддерживать на заданном уровне показатели качества обнаружения,
измерения (или распознавания) при наличии помех, а также способность использовать сами помехи как источник информации.
Помехоустойчивость — это реализация мер по получению
максимального отношения сигнал/шум по мощности q2
0 при приеме
сигналов и в процессе их обработки. Обработку называют оптимальной, если это достигается. B противном случае указывают потери,
которые получаются при достижении пределов потенциальной помехоустойчивости.
Возможность обнаружения целей и точность измерения их координат могут ухудшаться также при воздействии внешних помех, как
естественных, так и преднамеренных. Но и при отсутствии внешних
помех всегда есть собственные шумы.
Важную роль в процессе радиолокационного наблюдения играет разрешение целей, т. е. возможность обнаружения и измерения
координат какой-либо цели при наличии других целей, возможность
раздельного обнаружения и измерения координат нескольких близко расположенных целей.
В последние годы от современных РЛС во многих случаях требуется решение еще одной задачи — распознавания целей, т. е. определение класса или типа цели. Простейший случай распознавания
целей — определение их государственной принадлежности с помощью запросно-ответных устройств «свой-чужой». Но в более сложных случаях необходимо распознавание типов самолетов, получение
радиолокационного изображения ИСЗ, радиолокационных карт местности и т. д. Потребовалось решение задачи классификация целей,
т. е. определение класса или типа цели, установление принадлежнос

Р а з д е л 1

ти разрешаемой цели к определенному классу, например истребитель — бомбардировщик, крейсер — тральщик и т. п.
Кроме распознавания типа цели по ее радиолокационному портрету, появились задачи идентификации ложных целей по своим
отличительным признакам, осуществлять синтез радиолокационных
изображений методами синтезированной апертуры при дистанционном зондировании Земли и планет, составлять карты местности и
решать другие сложные задачи.
Радиотехнические системы. РЛС относятся к классу радиотехнических систем (РТС), в которых для передачи информации
используются радиоканалы.
В трактовке [2] в системах радиолокации сигнал является материальным носителем информации, параметры которого модулируются пространственным положением и движением цели, следовательно, в принятом сигнале заложена как координатная информация, так и информация о движении цели. Эта и другая информация
извлекается из принятого сигнала путем детектирования и соответствующей обработки и далее доставляется потребителю.
К РТС по известной классификации относят также системы радиосвязи (РС), радиоуправления (РУ), радионавигации (РН), радиоэлектронного подавления (РЭП) и телевидения (ТВ).
Все эти системы в рамках того или иного комплекса могут взаимодействовать с РЛС.
Системы РС осуществляют передачу сообщений от источника к
адресату. Передача сообщений от РЛС в системах РС может производиться из одного пункта в другой, либо в произвольное число
пунктов. Совместно системы РЛС и РС реализуют принципы телеметрии и дистанционного управления.
Для передачи подвижных (изменяющихся) изображений используются системы ТВ.
Системы РЛ и РН используют для обнаружения и сопровождения объектов, движущихся на поверхности Земли или моря, в
воздушном и космическом пространствах. Эти системы применяют
для измерения дальности, угловых и других координат движущихся
объектов. Системы РЛ и РН применяют для управления воздушным
движением на авиалиниях и в аэропортах, управления морским движением в акваториях портов и т. п. Совместно системы РН и РЛС
обеспечивают проводку цели (объекта) из пункта А пространства в
другой пункт В.
Системы РУ используют для управления с помощью радиосредств различными техническими объектами: дистанционно-пилотируемыми летательными аппаратами (ДПЛА), управляемыми ракетами

Общие сведения о радиолокации
9

(УР), спутниками и другими космическими аппаратами (КА), роботами. Такие системы находят применение в военном деле и различных отраслях народного хозяйства.
Радиотехнический комплекс управления представляет собой совокупность радиотехнических систем и радиоприборов (систем радиосвязи, радиолокации и радионавигации), предназначенных для
контроля за движением и для передачи команд на борт объекта управления.
Системы РЭП осуществляют создание помех для радиоканалов в системах РС, РЛС, РУ. Они основаны либо на прямой генерации помех, либо на наделении помеховыми модуляциями цифровых копий принятых сигналов РЛС и их последующем переизлучении. B результате у объекта подавления увеличиваются вероятности
ложной тревоги, пропуска цели, срыва сопровождения, появляются
ошибки координатного определения местоположения и скорости обнаруживаемого объекта (цели).
Основной принцип передачи информации в РТС заключается в
модуляции параметров передаваемого сигнала информацией, которая в дальнейшем извлекается из принимаемого сигнала путем ее
демодуляции.
Применительно к системам радиолокации, как и другим системам, общая схема получения информации с помощью радиоволн
состоит в том, что с помощью источника информации и модулятора
модулируются параметры несущего колебания от некого генератора,
которые усиливаются передатчиком и с помощью антенны излучаются в эфир.
Сигнал, являясь материальным носителем информации, распространяется в среде, отражается от неоднородностей и объектов
в сторону приемной антенны и приемника, в котором с помощью
опорного генератора, демодулятора и соответствующей обработки
выделяется информация о координатах и параметрах движения цели. B результате модуляции параметров отраженного сигнала пространственным положением (дальностью D, азимутом α, углом места
β) и движением (радиальной скоростью Vr) обнаруживаемого объекта в сигнал закладывается необходимая информация, которая потом
подлежит выделению (демодуляции).

Р а з д е л 1

1.1.2. Принципы и физические основы радиолокации.
Поляризация сигналов

Три случая возникновения радиоволн. Как уже отмечалось в определении радиолокации, информация о целях получается
в результате анализа принимаемых от целей радиоволн. Эти радиоволны могут возникать в трех случаях:
1. В результате отражения (или, точнее, рассеяния) волн, облучающих цель.
B этом случае передающая часть РЛС облучает
цель, а приемная часть принимает отраженные сигналы. Сама цель
не излучает радиоволн, а только рассеивает (отражает) падающие
на нее радиоволны. Это — наиболее распространенный случай активной РЛС.
2. В результате излучения целью ответного сигнала после получения запросного сигнала от РЛС. При этом может переизлучаться
принятый целью сигнал или формироваться и излучаться сигнал с
характеристиками, отличными от запросного. Это — РЛС с активным ответом. Применяются, например, в гражданской авиации. Посылается кодированный запросный сигнал, а воздушное судно отвечает тоже кодированным сигналом (причем каждое воздушное судно
может иметь свой индивидуальный код), в котором заложена информация о положении судна, его техническом состоянии и т. д. РЛС с
активным ответом используются для сопровождения ИСЗ и в других системах.
3. В результате собственного излучения целей. Это могут быть
излучения радиотехнических устройств целей (например, бортовых
РЛС или средств связи), а также специальных устройств, создающих
так называемые активные помехи для самомаскировки или маскировки других целей (средства радиопротиводействия).
Получение радиолокационной информации о таких излучающих
целях осуществляется средствами пассивной радиолокации, содержащими только приемные станции.
Пассивные системы могут также использовать переизлучение
целями сигналов от каких-либо сторонних источников, например, от
телевизионных или вещательных передатчиков.
Физические основы радиолокации базируются на следующих свойствах электромагнитных волн:
• прямолинейность распространения в однородных средах;
• возможность фокусировки направления излучения (приема) методом диаграммообразования;
• постоянство скорости распространения электромагнитных волн,
дающее возможность измерению дальности до цели путем измерения времени запаздывания отраженных сигналов;