Радиоэлектронные средства (РЭС) играют существенную роль при решении множества задач, связанных как с освоением и использованием океана, так и с его исследованием. Число таких задач непрерывно растет, и это приводит к повышению концентрации РЭС на судах и морских объектах, возрастанию потребляемой ими мощности, а также к усложнению условий совместной работы. В связи с этим, а также с необходимостью повышения надежности работы РЭС, снижения их массы и габаритов возник целый ряд новых проблем, которые предстоит решить в ближайшее время.

Прежде чем проанализировать эти проблемы, рассмотрим задачи, при решении которых используют РЭС. В первом приближении можно выделить несколько видов таких задач. К задачам первого вида можно отнести поиск, обнаружение и измерение координат различных объектов, например судов и других объектов (плавающих и затонувших), косяков рыб, залежей полезных ископаемых и т. п. Для их обнаружения используют и создают поля различных типов. При этом свойства объекта в одном поле или в нескольких должны существенно отличаться от свойств окружающей среды. Для обнаружения объекта в воздушной среде применяют электромагнитные поля, включая диапазон световых волн; в воде— акустическое, магнитное, электрическое и электромагнитное поля.

Для измерения координат объектов один или несколько параметров создаваемого поля (интенсивность, амплитуду, частоту или фазу колебаний) изменяют во времени, Сравнивая параметры отраженных и излучаемых колебаний, определяют расстояние до объекта. Для измерения угловых координат необходимо обеспечить излучение энергии в пределах малого пространственного угла.

Решение задач первого вида затрудняет наличие помех, вызванных отражением волн (полей) от водной поверхности и дна, а также зависимость распространения соответствующих колебаний от состояния окружающей среды (океана и прилегающих слоев атмосферы).

Задачи второго вида связаны с измерениями различных параметров и характеристик Мирового океана, а также характеристик объектов, работающих в океане. При их решении особую сложность вызывает выявление характеристик, несущих наибольшую информацию об исследуемом явлении или контролируемом объекте, и нахождение способов уменьшения погрешностей измерений, обусловленных многими факторами. Повышение точности измерений связано обычно с усложнением измерительных средств.

К задачам третьего вида можно отнести осуществление связи между объектами и группы объектов с центром управления. Задачи этого вида реализуются с помощью электромагнитных, акустических и световых волн, а для ряда объектов — по кабельным линиям. Их решение осложняет наличие множества факторов, существенно влияющих на качество связи, а также помех.

Задачи четвертого вида связаны с ориентированием объектов в океане. РЭС играют важную роль в обеспечении безопасности мореплавания, особенно в районах интенсивного движения судов, узкостях и т. п. Для определения местоположения в различных частях океана широко применяют средства радио-и инерциальной навигации. При исследовании и освоении шельфа требуется определение с большой точностью координат объектов (суда, буи, вышки) в прибрежной зоне. При решении этих задач возникают те же трудности, что и при решении задач первого вида, а также трудности, связанные с необходимостью учета специфики движения судов и аппаратов, обусловленной наличием течений, волнения и других факторов.

Методы решения задач каждого вида многообразны и зависят от типа объекта, на котором установлено РЭС. Так, задачи обнаружения объектов на дистанции в десятки и сотни километров с борта подводного аппарата будут решаться разными методами, также по-разному будет осуществляться связь на дистанциях в сотни и тысячи километров между судами, судном и базой, подводным аппаратом и судном обеспечения. Примеров можно привести множество. В качестве измерительной аппаратуры может быть использован отдельный датчик (температуры, скорости течения и т. п.) или преобразователь с дополнительными устройствами, или целая измерительная система, например типа специализированной радиолокационной станции для дистанционного измерения параметров и характеристик волнения. Структура ее зависит от вида измеряемых параметров.

Несмотря на многообразие РЭС, решающих перечисленные выше задачи, им присущи и общие черты. Работа большинства из них связана с излучением энергии и созданием поля в зоне расположения объекта. Структурные схемы РЭС разного назначения содержат устройства, выполняющие одинаковые функции, например, усиление сигналов, излучение, преобразование колебаний, логические операции, связанные с работой цифровых устройств, и т. п.

Совокупность РЭС на объекте-носителе составляет его радиоэлектронное оборудование.

В составе радиоэлектронного оборудования взаимодействие РЭС друг с другом (т. е. взаимосвязь при функционировании) может быть различным. Приближенно можно выделить три вида взаимодействия.
1. Если все РЭС предназначены для выполнения одной или нескольких операций, то работа их взаимосвязана и осуществляется по единой программе. Такую совокупность РЭС называют также радиоэлектронным комплексом. При использовании такого комплекса необходимо учитывать взаимное влияние РЭС, которое выражается главным образом в появлении взаимных помех. Эти помехи нарушают работу отдельных РЭС, а также их взаимодействие.
2. Если РЭС предназначены для решения различных, не взаимосвязанных задач, то они функционируют независимо друг от друга. Однако это не означает отсутствия взаимного влияния, т. е. взаимных помех.
3. Если взаимосвязь между функционированием РЭС слабая или если часть РЭС составляет комплекс, который работает по единой программе, а остальные функционируют независимо, то и в этом случае так же отмечается появление взаимных помех. Этот вид взаимодействия занимает промежуточное положение между двумя первыми.

Характерной особенностью современного радиоэлектронного оборудования является широкое применение в его составе средств вычислительной и информационной техники.

По мере расширения и углубления задач, решаемых при освоении и исследовании океана, усложняется радиоэлектронное оборудование объектов, судов и аппаратов различного назначения, возрастают требования к ним.

В настоящее время РЭС, предназначенные для работы в условиях моря, должны: функционировать с требуемой точностью и эффективностью в течение заданного интервала времени; быть Устойчивыми по отношению к внешним воздействиям и иметь минимальные габариты и массу.

РЭС на подводных аппаратах и автономных носителях должны также потреблять минимум энергии.

Сегодня возникают такие проблемы, как рациональное (оптимальное— в пределах установленного критерия) построение радиоэлектронного оборудования, обеспечение совместной работы радиоэлектронных средств (электромагнитная совместимость — ЭМС), комплексирование их.

Рассмотрим кратко перечисленные проблемы.

Обеспечить выполнение морским объектом определенных операций можно различными способами, привлекая для этой цели различные по своему назначению, составу и выходным параметрам РЭС. Следовательно, может быть несколько вариантов построения радиоэлектронного оборудования.

Например, предотвращение столкновений нескольких морских объектов, маневрирующих в ограниченном районе, можно осуществить с помощью станций обнаружения, установленных на каждом из них и работающих независимо друг от друга, или с помощью станции обнаружения, установленной на одном из объектов (или даже на берегу) и передающей информацию о навигационной обстановке по каналам связи. Состав радиоэлектронного оборудования и характеристики РЭС в каждом случае будут иными. Необходимо определить рациональное (наилучшее — в рамках установленного критерия) построение радиоэлектронного оборудования, обеспечивающего выполнение морским объектом определенных операций с заданным качеством. Критериями могут быть, например, наименьшая стоимость РЭС, входящих в оборудование; минимальная мощность, потребляемая одновременно работающими РЭС; наименьшая полоса частот, занимаемая спектрами сигналов, излучаемых РЭС, и т. п.

Решение этой проблемы связано с большими трудностями, в частности со сложностью установления обобщенной функциональной и даже статистической связи между функциональными характеристиками РЭС и массой, габаритами, потребляемой мощностью и т. п.; сложностью сравнения вариантов построения радиоэлектронного оборудования друг с другом по обобщенным характеристикам и другие.

Вторая проблема — обеспечение совместной работы РЭС различного назначения (радиотехнических акустических)— получила название проблемы ЭМС. Увеличение числа средств на судах и морских объектах привело к необходимости учета их взаимного влияния, т. е. взаимных (непреднамеренных) помех, которые эти средства создают друг другу в работе. При этом возможно влияние как на РЭС, передающие информацию (излучающие), так на средства приема и обработки информации, а в ряде случаев и на каналы проникновения взаимных помех (воздушная или водная среда, источники и цепи питания и др.).

При анализе ЭМС удобно рассматривать группы РЭС двух типов. Группы первого типа, состоящие из функционально связанных между собой РЭС, и второго типа, в которых РЭС функционально не связаны друг с другом и выполняют разные задачи, находятся в зоне взаимного влияния. При анализе групп третьего типа их можно свести ко второму.

В группах как первого, так и второго типа взаимное влияние РЭС зависит от параметров, присущих каждому средству (излучаемая мощность, рабочая частота, полоса частот спектра излучаемого сигнала, уровень побочных излучений и т. п.) и называемых параметрами ЭМС. Множество параметров ЭМС можно разбить на два подмножества (в общем случае пересекающихся) по признаку их влияния на показатели качества функционирования отдельных РЭС. К первому подмножеству относят параметры, изменение которых может повлечь за собой изменение качества функционирования как данного средства, так и качества работы других РЭС в группе. Параметры данного подмножества условно называют организационными.

Ко второму подмножеству относят параметры, изменение которых улучшает качество работы одних РЭС и не приводит в принципе к ухудшению качества работы других. Их условно называют техническими.

В соответствии с этим делением параметров условно различают организационные и технические методы обеспечения ЭМС. Организационные методы делят на централизованные, децентрализованные и комбинированные. Централизованные методы предполагают наличие функций управления в едином центре, который предписывает каждому РЭС численные значения организационных параметров. Децентрализованные методы основаны на наличии функций управления у каждого отдельного средства. Комбинированные методы предусматривают сочетание и тех и других методов управления.

Перечисленные методы обеспечения ЭМС основаны на детерминированных или стохастических моделях работы групп РЭС, которые не всегда дают оптимальные решения в условиях сложной и нестационарной электромагнитной обстановки. Необходимы другие подходы, одним из которых является адаптация (например, по частоте, мощности, поляризации и т. п.) каждого РЭС.

Для обеспечения ЭМС необходимо определить критерии (показатели), которые были бы числовыми характеристиками взаимного влияния РЭС. Единый критерий ЭМС, определяющий работу всех РЭС в группе, редко удается ввести. Поэтому вводят частные критерии, характеризующие совместимость отдельного РЭС в группе. Число таких критериев равно числу средств.

Каждый частный критерий зависит от параметров ЭМС: рабочих частот РЭС, излучаемых ими мощностей, коэффициентов усиления антенн передатчиков и приемников и т. п., а также от внешних параметров: условий распространения колебаний, наличия сторонних отражателей и т. п.

Задачу обеспечения ЭМС можно сформулировать как отыскание таких параметров совместимости, которые обращают показатель в максимум (минимум) при заданных внешних параметрах, или обеспечивают значение этого показателя не ниже (выше) заданного. Показатель совместимости — сложная функция параметров ЭМС, имеющая в общем случае много максимумов (минимумов), из которых один — глобальный.

Рассмотрим случай обеспечения совместимости, когда рабочая частота каждого РЭС в группе может изменяться в зависимости от уровня взаимных помех. Пусть имеются множество частот, на которых возможна работа, а также показатель совместимости, характеризующий функционирование данного РЭС в группе. Целью адаптации является отыскание в процессе функционирования РЭС такого значения рабочей частоты, для которого показатель совместимости максимален (минимален). Для отыскания экстремума можно предложить множество алгоритмов адаптации, реализуемых автоматами разных типов. При задании дискретных значений возможных рабочих частот удобной моделью адаптирующего (обучающегося) устройства является конечный автомат. Остановимся на простейшем варианте конечных автоматов (КА) с бинарным входным алфавитом [4].

Принцип работы автомата состоит в том, что, осуществляя случайное блуждание по множеству значений частот, он устанавливает такую, при которой вероятность выигрыша наибольшая. Вся система (РЭС и блок адаптации БА) будет обладать целенаправленным поведением, если вероятность «выигрыша», получаемого автоматом за выполненное действие (работа на конкретной частоте), монотонно связана с показателем качества. Чтобы успешно использовать конечный автомат в процессе адаптации, необходимо согласовать его входной алфавит (множество возможных сигналов на входе) с выходным алфавитом измерителя показателя качества (ИПК). Это можно осуществить следующим образом. Отобразим (монотонно) с помощью функционального преобразователя (ФП) множество допустимых значений показателя качества на интервал 0,1. Если поставить в однозначное соответствие каждому значению этого интервала случайную величину («выигрыш») с вероятностью появления, равной выходному значению функционального преобразователя, то задачу согласования выходного алфавита ИПК со входным алфавитом КА можно решить. Это согласование осуществляют с помощью управляемого датчика случайных чисел (УДСЧ), который формирует «выигрыши» с вероятностями, равными значениям выходного сигнала функционального преобразователя, и «проигрыши» с дополнительной вероятностью.

Таким образом, при соответствующем выборе показателя качества функционального преобразователя и автомата, РЭС, снабженное блоком адаптации, будет работать преимущественно на той частоте, для которой показатель качества минимален (максимален). Выигрыш, получаемый в результате адаптации, зависит он конкретной ситуации и может колебаться от нуля де-цибелл (все рабочие частоты равноценны по показателю качества) до предельного, что соответствует работе на оптимальной частоте.

Для решения задач совместимости представляет интерес адаптация мощности, излучаемой каждым РЭС, т. е. обеспечение работы данного РЭС с заданным качеством при наименьшей величине излучаемой мощности. Анализ показывает, что и в этом случае удается расширить возможности совместной работы РЭС. Одним из способов оценки эффективности адаптации может быть сравнение количества ситуаций, в которых обеспечивается совместная работа при наличии адаптации мощности, с количеством ситуаций при ее отсутствии. Анализ выигрыша удобно проводить на основе критерия совместимости, используя рассмотренные выше модели ЭМС. Возможные условия совместной работы РЭС можно задать набором коэффициентов С12, а21, входящих в критерий совместимости. Каждой ситуации соответствуют определенные значения коэффициентов С и а. Прямоугольная область, ограниченная осями координат и прямыми 1, 2, соответствует ситуациям, в которых системы совместимы как при отсутствии, так и при введении адаптации. Область, ограниченная осями координат и кривыми 3, 4, соответствует ситуациям, в которых системы совместимы лишь при наличии адаптации. Количество ситуаций во втором случае увеличивается более чем на треть.

Адаптация мощности РЭС, входящих в оборудование отдельного объекта/способствует снижению уровня взаимных помех, проникающих через цепи и источники питания. Взаимные помехи данного вида могут быть значительными для морских аппаратов, снабженных маломощными источниками энергии.

Эффективность методов ЭМС определяется в конечном счете соотношением выигрыша в функционировании и затрат на реализацию метода. Критерии эффективности могут быть различными.

Третья проблема — комплексирование РЭС — связана с улучшением качества работы отдельных РЭС, входящих в радиоэлектронное оборудование. Под комплексированием будем понимать такое построение радиоэлектронного оборудования, при котором

РЭС (или отдельные их устройства) могут комбинироваться в различных сочетаниях, обеспечивающих наилучшее выполнение задачи (по установленному критерию).

Целью комплексирования могут быть, например:
— повышение достоверности обнаружения или точности измерений;
— повышение надежности работы;
— решение новых задач, которые не могут быть обеспечены имеющимися отдельными радиоэлектронными средствами;
— уменьшение объема, массы и габаритов оборудования при сохранении тактико-технических характеристик.

Первый метод комплексирования основан на применении электронно-вычислительных машин (ЭВМ), которые на основе анализа информации, содержащейся в сигналах, поступающих от РЭС, управляют их работой, т. е. изменяют рабочие характеристики этих средств с целью повышения их эффективности (комплексирование с управлением).

Под управлением можно понимать:
а) изменение времени анализа сигнала в зависимости от объема полученной информации, требуемой точности измерений или помех;
б) изменение параметров сигнала РЭС, поиск и выбор оптимального для имеющейся помеховой обстановки или других факторов;
в) применение для измерения заданного параметра нескольких систем, обладающих различными характеристиками: разной точностью измерения (грубое определение области значений фиксируемого параметра с помощью одного средства и точ-ное_с помощью второго), имеющих различный закон накопления ошибок или распределения случайных погрешностей (в том числе за счет воздействия помех). Обычно эти измерители основаны на различных физических принципах: например, радиотехнический и инерциальный, радиотехнический и акустический; радиотехнический и тепловой и т. п., или на одном принципе, но использующие сигналы разных типов. В общем случае для комплексирования измерителей необходимо наличие статистической связи между измеряемыми величинами (процессами). Частным случаем такой связи является детерминированная. Выбор способа комплексирования измерителей зависит от особенностей исследуемого процесса, а также получаемого выигрыша в точности или помехоустойчивости. Важно, чтобы технические трудности при его реализации существенно не уменьшили выигрыш, получаемый за счет комплексирования;
г) выбор наилучшего сочетания измерителей (пункт «в») и закона совместной обработки поступающих от них сигналов.

Анализ информации, содержащейся в сигналах, и управление с помощью ЭВМ необходимы в том случае, когда априорная информация об исследуемых процессах недостаточна или процессы нестационарны. Часто, однако, анализируемые процессы — стационарные и об их особенностях имеется достаточно априорных данных. Поэтому можно заранее выбрать наилучшее сочетание комплексируемых средств и установить оптимальный закон обработки поступающей от них информации. Функции ЭВМ в этом случае существенно упрощаются.

Второй метод комплексирования состоит в совмещении функций, выполняемых отдельными устройствами различных РЭС (функциональное комплексирование). Основой его является различие характеристик сигналов, а также функциональная избыточность отдельных устройств РЭС. Приведем несколько примеров.

Получило распространение такое построение средств обнаружения, при котором несколько радиолокационных станций работают на одну антенну, выполненную в виде фазированной антенной решетки (ФАР).

Аналогичным образом осуществляют комплексирование радиотехнических систем различного назначения в одной радиолинии на основе временного или частотного разделения сигналов. Указанные методы позволяют комплексировать радиоэлектронные средства и устройства, обрабатывающие как близкие, так и далекие по структуре и информативности сигналы.

Для комплексирования можно использовать различие структур сигналов, принадлежащих разным РЭС, например, обеспечить с помощью одного устройства усиление нескольких сигналов (с последующим разделением), спектры которых перекрываются. Основные этапы комплексирования в этом случае следующие: аддитивное суммирование сигналов различных источников — образование группового сигнала; обработка группового сигнала в канале, едином для различных РЭС; разделение группового сигнала на составляющие, осуществляемое с использованием фильтра Калмана, реализуемого в схемном исполнении.

Третий метод — структурное комплексирование — основан на возможности объединения структур нескольких отдельных систем или устройств в новую систему. Такая система может выполнять новые функции, несвойственные составляющим ее системам, или те же функции, но с повышенным качеством.

Образуемая система строится по структурной схеме, отличной от структурных схем комплексируемых средств. При этом устройства комплексируемых систем (полностью или частично) входят в новую схему вместе с дополнительными устройствами.

При отсутствии комплексирования отдельные системы могут работать независимо друг от друга. Переключение с режима независимой работы на режим комплексной работы может проводить оператор..

Комплексируемые РЭС могут быть однотипными или разнотипными, базироваться на одинаковых или различных физических принципах..

Рассмотрим для примера комплексирование систем обнаружения (радио- или акустических) для получения высокого разрешения по углу при разнесенном приеме. Это необходимо, например, при определении с повышенной точностью координат точечных целей в открытом море на дистанциях до радиогоризонта при помощи береговых станций.

Высокое угловое разрешение при комплексировании определяется шириной функции пространственной когерентности (ФПК) при использовании сложных сигналов, подобно тому, как разрешение по дальности определяется автокорреляционной функцией (АКФ) сигналов. ФПК характеризует степень когерентности сигналов, отраженных от целей, находящихся на разных угловых направлениях относительно точки измерения. Ширина ФПК связана с шириной спектра пространственных частот такой же зависимостью, как и ширина АКФ с шириной спектра временных частот. ФПК можно измерить различными способами. Для монохроматических сигналов это можно сделать, измеряя взаимную корреляцию сигналов, принятых в различных точках пространства, путем изменения расстояния между ними.

При использовании многочастотных или многополосных сигналов измерение ФПК на разных частотах — составляющих сигналов эквивалентно ее измерению в различных точках пространства. Это так называемый принцип пространственно-частотной эквивалентности. Таким образом, при многочастотном сигнале и фиксированных точках в пространстве можно измерить весь спектр пространственных частот и получить в результате измерений ФПК, которая определяет степень угловой близости точечных целей. Для реализации высокого разрешения по углу необходимы две радиолокационные или гидролокационные станции или, точнее, два приемника и один передатчик. Оба приемника содержат устройства обработки, согласованные с сигналом, излучаемым передатчиком.

До комплексирования станции выполняют свои задачи независимо. При необходимости обеспечить высокое угловое разрешение они вступают в согласованное функциональное взаимодействие, т. е. одновременно принимают сложный многочастотный сигнал, отраженный от пространства целей. Этот сигнал после предварительной обработки в устройствах каждой РЛС поступает в дополнительное устройство совместной обработки (например, сумматоры), которые формируют ФПК.

Амплитуда напряжения на выходе сумматоров, производящих сложение колебаний на выходе каналов одной частоты зависит от направления приходящих волн.

Дальнейшее суммирование напряжений с выходов сумматоров, соответствующих разным частотным каналам, приводит к образованию диаграмм направленности комплексирован-ной- системы в режиме приема многочастотного сигнала. При использовании в PJ1C фазовой манипуляции по закону кодовых последовательностей целесообразно выполнять взаимнокорреляционную обработку каждой компоненты сигнала с помощью корреляторов разностной частоты и последующее суммирование выходных напряжений. Корреляционная обработка сигналов способствует устранению неоднозначности углового отсчета, а также дополнительному подавлению боковых лепестков.

Следует заметить, что характеристики направленности в режиме приема при комплексировании можно менять путем изменения параметров сигнала.

Приведенные выше примеры далеко не исчерпывают всего многообразия проблем, связанных с использованием радиоэлектронного оборудования в освоении и исследовании Мирового океана. Нет сомнений, что интенсивные поиски в этой весьма перспективной и интересной области позволят найти интересные решения, но одновременно они выдвинут еще новые нерешенные проблемы и вопросы.

В. И. Винокуров

УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики.— М.: Наука, 1976.
2. Винокуров В. И., Ваккер Р. А. Вопросы обработки сложных сигналов в корреляционных системах.— М.: Сов. радио, 1972.
3. Винокуров В. И., Пащенко Е. Г., Харченко И. П. Электромагнитная совместимость судового радиооборудования.— Л.: Судостроение, 1977.
4. Срагович В. Г. Теория адаптивных систем.— М.: Наука, 1976.
5. «Судостроение», 1975, № 10.
6. Электронная аппаратура в океанологических исследованиях.— Тез. докл. I Всесоюз. конфер. по исследованию и освоению Мирового океана.— Владивосток: Изд. ДВПИ, 1976.