Математическая
морфология.
Электронный
математический и медико-биологический журнал. - Т. 13. -
Вып. 4. - 2014. -
URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-44-html/TITL-44.htm
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-44-html/cont.htm
УДК 621.396.962
Использование сигналов с дискретным спектром
для оценки радиальной протяженности
радиолокационных объектов
Ó 2014 г.
Давиденко О. А., Жигунов П. А., Павлюченкова Е. П.
В работе изложен способ оценки радиальной протяженности
радиолокационных целей с использованием сигналов, обладающих дискретным
спектром. Предлагаемый способ основан на выделении фазовых набегов,
создаваемыми разнесенными по линии визирования РЛС-воздушный объект локальными
центрами рассеяния. Для зондирования воздушного пространства применены
радиолокационные сигналы, реализация которых наиболее целесообразна в
многопозиционных радиолокационных системах. В качестве практического приложения
данного способа оценки радиальной протяженности рассмотрено его применение для
селекции простейших ложных целей на фоне воздушных объектов состоящих из
совокупности пространственно-распределенных локальных центров рассеяния.
Ключевые слова: сложная радиолокационная
цель, спектр сигнала, многопозиционная радиолокационная система.
Анализ опыта локальных войн и
вооруженных конфликтов позволил военным специалистам выявить основную тенденцию
развития средств воздушного нападения стран НАТО, а именно, широкомасштабного
применения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). В течение ближайших 30 лет
Минобороны США рассчитывает увеличить число БПЛА, поступающих на вооружение
страны, сразу в 4 раза – до 26 000 штук [1].
Относительно недавно появилось новое
направление использования БПЛА, и в настоящее время США ведет активную
разработку противорадиолокационных БПЛА (ПР БПЛА). Эти
летательные аппараты оснащаются радиолокационной головкой самонаведения, имеют
взлетную массу от 100 до 1500 кг и боевую часть осколочно-фугасного типа. ПР БПЛА обладают высокой скрытностью применения. В блок
управления загружается программа для полета по определенному маршруту и
свободный поиск, а оборудование ПР БПЛА обеспечивает
возможность осуществления автономного полета в условиях сложной помеховой обстановки
[2]. По утверждению
иностранных специалистов, малоразмерные БПЛА практически невозможно увидеть
визуально и обнаружить с помощью РЛС из-за
малых ЭПР на высоте свыше 900 м, трудно увидеть и услышать на дальности
более 1600 м, они обладают низкой вероятностью поражения вследствие малой
уязвимости и способны совершать полет по криволинейным траекториям с
перегрузкой в 2–3 ед.
Столь пристальное внимание к
развитию БПЛА вызвано тем, что практически уже сейчас «классические» активные
средства обнаружения не обладают достаточными возможностями по
эффективному выполнению боевых задач и сохранению объекта прикрытия. Поскольку
в условиях применения современных противорадиолокационных средств и
высокоточного оружия время их работы на излучение и, соответственно, жизни ограничено.
Это подтверждает опыт локальных войн в Югославии, Ираке и Ливии, где система
ПВО была разрушена в кратчайшие сроки, а авиация стран западной коалиции практически
беспрепятственно наносила ракетные и бомбовые удары по выбранным объектам.
Применение
противорадиолокационных БПЛА не оставляет шансов на выживание для активных РЛС
с пассивным ответом без применения специальных средств защиты. При этом
очевидно, что включение РЛС на излучение является основным ее демаскирующим признаком.
Одним из направлений возможного повышения устойчивости радиолокационной
группировки является использование систем многопозиционной радиолокации.
До недавнего времени создание
многопозиционных систем, использующих все возможности пространственно-временной
обработки было достаточно проблематичным не смотря на
все их преимущества. Однако технологические прорывы последних десятилетий,
такие как антенные решетки с электрическим управлением
максимума излучения электромагнитной энергии, быстродействующие цифроаналоговые
и аналого-цифровые преобразователи, высокоскоростные системы передачи данных,
космические системы определения координат объектов с высокой точностью,
обеспечили реализацию известных алгоритмов цифровой и аналоговой обработки
информации при использовании преимуществ пространственно-временного анализа в
многопозиционных радиолокационных системах.
Использование разнесенных
приемных и передающих систем предоставит возможность применения сигналов
большой длительности (единицы секунд). Данные сигналы могут быть узкополосными,
что обеспечит высокую точность измерения частоты Доплера. Измеряя
скорости изменения доплеровских смещений частоты, можно получить вектор
ускорения цели. Использование доплеровских оценок скорости и ускорения повышает
точность построения траекторий и качество сопровождения целей, особенно на участках,
где происходят резкие изменения скорости (маневр самолета или торможение баллистической
цели при входе в атмосферу).
Применение данного вида сигналов
не снимает необходимости решения задачи распознавания воздушных целей, частным
случаем которой является задача селекции простейших ложный
целей (ЛЦ) и радиолокационных ловушек. Анализ широко применяемых ЛЦ и
РЛ-ловушек выявил главный отличительный признак, который может быть положен в
основу их выделения из состава воздушного налета. Основное отличие простейших
ЛЦ и РЛ-ловушек от реальных воздушных целей (самолетов тактической и стратегической
авиации) – это значительно меньшие размеры, как продольные, так и поперечные.
Целью работы является
разработка способа обнаружения и селекции точечных радиолокационных целей на
фоне протяженных радиолокационных объектов с использованием сигналов
применение которых не возможно в РЛС с совмещенной приемо-передающей антенной.
Объектом исследования
являются особенности формирования отраженного сигнала протяженными и точечными
целями при рассеянии сигналов с дискретным спектром. Для обнаружения и селекции
воздушных объектов предложено использовать когерентные многочастотные сигналы,
обладающие большой длительностью с обеспечением когерентного их накопления в
тракте приема и обработки РЛС.
Решения
задач обнаружения воздушных целей, определения их координат, разрешения и, что
особенно важно, повышения помехозащищенности и оценки геометрии радиолокационной
цели возможно при использовании различных сигналов большой длительности, спектр
которых можно считать дискретным, в частности амплитудно-модулированных
сигналов. Передающее устройство для МП РЛС целесообразно строить по модульному
принципу и обязательно использовать антенную систему с электронным управлением
ориентацией максимума излучения электромагнитной энергии. Существенное
повышение степени помехозащищенности МП РЛС связано с тем, что: создание прицельных
по направлению помех приемным позициям МП РЛС затруднено, так как направление
на них неизвестно; затрудняется создание помех по главным лепесткам ДН одновременно
нескольким позициям; применение разнесенных передающих позиций, излучающих
сигналы различных типов и на разных частотах, затрудняет создание
ответно-импульсных помех; снижается объем области пересечения
главных лепестков ДН передающей и приемных позиций МП РЛС и соответственно
уровень принимаемых пассивных помех; имеются более широкие возможности выбора
типа зондирующих сигналов для борьбы с помехами, чем в
однопозиционной РЛС.
Очевидным преимуществом МП РЛС является
энергетическое превосходство и для обеспечения равной дальности обнаружения
импульсная мощность радиопередающего устройства (РПУ) будет на несколько
порядков меньше импульсной мощности современных РЛС (30–50), дБ, что
равнозначно излучению сигнала с мощностью в несколько сотен ватт в течении секунды. Например, для длительности импульса РЛС: – 43 мкС
и импульсной мощности 140 кВт с учетом скважности равной 116 средняя мощность
сигнала составит величину около 1,2 кВт. В
пространственно-когерентных
МП РЛС взаимные фазовые сдвиги сигналов в трактах разнесенных
позиций и линиях связи известны и сохраняются практически неизменными на
интервале времени, на много превышающем длительность сигнала (несколько часов).
При построении группировки
ПВО целесообразно использовать несколько последовательно работающих передающих
модулей, которые формируют узкие ДНА в направлении, заданном централизованной
системой управления. Максимум ДНА в приемной системе должен быть ориентирован в
интересующем направлении зондирования. В результате в пространстве формируется
зона обнаружения воздушных целей, расположенных в заданном импульсном объеме.
Координаты воздушного объекта определяются известными методами многопозиционной
радиолокации. Без использования специальных методов измерения координат в МП
РЛС можно достигнуть точности измерения координат и разрешающей способности на
порядок выше чем в РЛС с совмещенной антенной.
Следует подчеркнуть, что
современные средства постановки помех ориентированы на импульсные РЛС,
работающие с сигналами, имеющими эффективную ширину спектра, необходимую для
получения элемента разрешения в пределах нескольких десятков метров. Для защиты
излучающих модулей от поражения ПРР время работы модуля жестко
регламентировано, а модули последовательно чередуют работу на излучение. Низкие
импульсные мощности сигналов РЛС позволят унифицировать передающие модули и изготовить
их на базе твердотельных усилителей, достаточно дешевыми.
В случае поражения модуля, его место в составе группировки должен занять
резервный передающий модуль.
Следует ожидать, что при
использовании сигналов с дискретным спектром упрощается решение задачи селекции
простейших ложных целей (ЛЦ) и радиолокационных ловушек. Известно, что
математическое ожидание протяженности самолета вдоль линии визирования
РЛС–самолет, составляет величину около 0,7 от геометрической протяженности
цели. В качестве математической модели сложной радиолокационной цели может использоваться
многоточечная модель [4], приведенная на рисунке 1.
Для зондирования воздушного
пространства целесообразно использовать длинноволновую часть дециметрового и
метровый диапазон волн. Использование данных диапазонов длин волн позволит
легче обеспечить помехозащищенность РЛС, практически исключить применение ПРР и
снизить точности наведения ПР БПЛА.
а)
б)
Рисунок 1 –
Модели радиолокационной цели: а – многоточечная;
б –двухточечная
Для оценки радиальной
протяженности предложено использовать
амплитудно-модулированные сигналы. Применение амплитудно-модулированного колебания
с известной формой спектра в интересах выделения протяженных объектов является новым.
Следует подчеркнуть, что известны способы оценки протяженности радиолокационных
объектов при использовании некогерентных узкополосных импульсных сигналов,
составляющие спектра которого допускают аппроксимацию прямоугольной огибающей с
пренебрежимо малой шириной. К таким способам оценки радиальной протяженности
объекта, при использовании некогерентной обработки сигналов можно отнести двухчастотный. Для получения признака распознавания,
рассматривается порядок формирования результирующего сигнала, в виде суммы
амплитуд отраженных сигналов различных частот. Данный вид обработки
эквивалентен вычислению обобщенного параметра рассеяния и приема для отраженных
сигналов двух частот [3, 4, 5].
Аналитически сигнал на выходе устройства
вычисляющего обобщенный параметр рассеяния и приема можно записать в виде:
, (1)
|
где |
|
– |
величины
ЭПР соответствующих локальных центров рассеяния; |
|
|
– |
разнос частот для
боковых составляющих спектра сигнала; |
|
|
L |
– |
расстояние между
крайними отражателями поверхности цели в радиальном направлении; |
|
|
с |
– |
скорость
распространения электромагнитной волны; |
|
|
v |
– |
относительное смещение
кажущегося центра цели. |
В общем виде амплитуда сигнала на выходе
согласованного фильтра будет представлять собой результат сложения сигналов двух
частот, среднее значение которого будет определяться выражением (2):
. (2)
Выражение (2) отличается от известного
соотношения для средней ЭПР наличием явной зависимости между величиной разноса
частот зондирующего сигнала и размещения локальных отражателей вдоль линии
визирования РЛС–цель. Указанная зависимость носит периодический характер.
Мгновенное значение параметра рассеяния и приема является случайным. Для
установления однозначной зависимости между средней амплитудой отклика
согласованного фильтра и радиальной протяженностью воздушной цели необходимо
получит сумму нескольких отсчетов.
В случае когерентной обработки выполнить
оценку радиальной протяженности можно другим способом, при этом время контакта
с целью существенно сокращается, поскольку не требуется выполнения процедуры определения среднего значения амплитуды сигнала на
выходе устройства обработки. Достаточно найти отношение мгновенной реализации
ЭПР цели на одной частоте с нормированным значением амплитуд, вызванной
суперпозицией сигналов двух частот с учетом фазовых набегов удаленных локальных
центров рассеяния [6].
Для пояснения физических процессов
формирования отраженного сигнала используем математические соотношения
описывающие амплитуды сигналов при рассеянии двухточечной моделью цели.
,
(3)
,
(4)
(5)
|
где |
|
– |
начальная дальность до
ближайшего центра рассеяния радиолокационной цели; |
|
|
– |
амплитуды сигналов отраженных от
соответствующих центров рассеяния; |
|
|
|
– |
доплеровское смещение
на соответствующей частоте; |
|
|
|
– |
фазовый сдвиг при
отражении на соответствующей частоте; |
|
|
|
– |
коэффициент амплитудной
модуляции; |
|
|
|
– |
частота амплитудной
модуляции. |
Выбор частоты амплитудной модуляции
производится исходя из условия 
, а именно, участок в пределах интервала
частотной корреляции наибольшей модели цели. В этом случае отношение комплексных
амплитуд сигналов будет пропорционально радиальной протяженности воздушного
объекта. Учитывая, что 
, а разнос частот между ними 2
относительно
невелик, можно считать:
и 
=
(6)
Обеспечив когерентную обработку сигнала в
соответствии со структурной схемой на рисунке 2, на выходе фазового детектора
получим сигнал, амплитуда которого пропорциональна разности фаз сигналов, определяемой
расстоянием между крайними отражателями модели цели.
Рисунок 2 –
Структурная схема приемной части МП РЛС
Компьютерное моделирование с
представительной статистикой выявило закономерность распределения отчетов амплитуд,
подчиняющуюся нормальному закону с математическим ожиданием пропорциональным
радиальному размеру цели. Что позволит в первом приближении разделять цели на точечные и протяженные.
В работе предложен новый способ выделения
сигналов от протяженных объектов на фоне точечных, с использованием сигналов,
обладающих дискретным спектром. Грубая оценка радиальной протяженности объекта
возможна после его обнаружения за интервал времени не менее чем 
.
Одновременно с распознаванием
использование АМ-сигналов позволит обеспечить надежную защиту от пассивных
помех и выделение полезного сигнала на фоне местных предметов.
Учитывая
ограниченный объем публикации и полученные качественные показатели
распознавания можно сделать вывод: применение МП радиолокационных систем приведет
к кардинальному увеличению объема «сигнальной» информации, содержащуюся в
эхо-сигналах о геометрических, физических и других характеристиках цели, а
также характеристиках ее движения вокруг центра масс. Моделирование и оценка возможностей
по измерению амплитуд и фаз, принятых разнесенными позициями сигналов, продемонстрировало
способность МП РЛС определять радиальный размер цели при использовании
специальных способов обработки протяженных когерентных сигналов с дискретным
спектром.
Литература
1.
Юферев.
С. Ударный американский беспилотник X-47B впервые
взлетел с авианосца // Военное обозрение. №
2, 2013. С. 23–27.
2.
Беспилотные летательные аппараты (БЛА) зарубежных стран. Разработка и
основные модели // Современная армия. № 1, 2012. С. 54–67.
3. Митрофанов Д. Г., Жигунов П. А., Бондарев Л. А. Патент РФ № 2114443,
1998. Бюл. № 18.
4.
Бондарев Л. А. Отражающие свойства моделей сложных радиолокационных
целей // Радиотехника. № 7, 1990. С. 8–13.
5.
Вишин Г. М. Многочастотная радиолокация. М., Воениздат,
1973. с. 25.
6.
Майзельс Е. Н., Торгованов В. А.
Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М., Советское
радио, 1972. с. 232.
USAGE OF SIGNALS WITH DISCRETE SPECTRUM FOR ESTIMATION
OF THE RADAR OBJECTS RADIAL EXTENSION
Davidenko
O. A., Zhigunov P. A., Pavluchenkova E. P.
The article presents estimation method of radial extension radar target that
use signals having discrete spectrum. The proposed method is based on the
separation of phase shifts created by local scattering center, spaced in the
line of sight view radar-air object. For the airspace sensing used radar
signals, the implementation of which is the most suitable in multiposition
radar systems. As a practical application of the estimation method of the
radial extension is considered its application for selection phantom target
against air objects that consist of complex space distributed local scattering
centers.
Key words: complex radar
target, signal spectrum, multiposition radar system.
Военная академия
войсковой ПВО Вооруженных Сил Российской Федерации
имени Маршала Советского Союза А.М.
Василевского
(ВА ВПВО ВС
РФ);