Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ влияния характера земной поверхности на обнаружении низколетящих воздушных объектов в активной радиолокационной системе 43
1.1. Математическая модель оценки эффекта интерференции радиоволн при обнаружении низколетящих воздушных объектов 43
1.1.1. Математическая модель канала переотражения радиолокационных сигналов 43
1.1.2. Математическая модель прямой компоненты сигнала 46
1.1.3. Математическая модель учта поляризации антенн ЛА и РЛС 48
1.1.4. Математическая модель квазизеркально отражнной компоненты сигнала 54
1.1.5. Математическая модель рассеянной компоненты сигнала 58
1.1.6. Математическая модель диффузно рассеянной компоненты сигнала 65
1.2. Оценка влияния интерференции радиоволн в антенных решетках при приеме радиосигналов под малыми углами места в L, S и X частотных диапазонов 71
1.3. Математическая модель оценки зон радиовидимости низколетящих воздушных объектов с учетом их экранирования рельефом местности и местными предметами 80
1.3.1. Постановка задачи 80
1.3.2. Математическая модель оценки зон радиовидимости низколетящих воздушных объектов с учетом экранирующего воздействия рельефа различных типов местности 84
1.3.3. Учет влияния местных предметов на зону радиовидимости низколетящих воздушных объектов 89
1.3.4. Результаты моделирования 91
1.3.5. Дальность завязки трасс низколетящих воздушных объектов 103
1.4. Выводы по первой главе 104
Глава 2. Синтез системы квазиоптимальной временной межпериодной обработки когерентной пачки импульсов 107
2.1. Анализ общих принципов построения системы цифровой обработки сигналов в активных радиолокационных системах 107
2.1.1. Режимы обзора пространства и режимы зондирования в активных радиолокационных системах 107
2.1.2. Система цифровой обработки радиолокационных сигналов 110
2.1.3. Когерентное накопление азимутального пакета 115
2.1.4. Некогерентное накопление азимутального пакета 117
2.1.5. Когерентно-некогерентное накопление азимутального пакета 118
2.2. Проекционный метод синтеза системы селекции движущихся целей 119
2.2.1. Аппроксимация обратной корреляционной матрицы помехи матрицей-проектором на подпространство, ортогональное подпространству помехи 119
2.2.2. Оценка устойчивости проекционного метода к амплитудным искажениям сигнала 131
2.2.3. Обеспечение работы системы межпериодной обработки при движении радиолокационной системы 134
2.2.4. Синтез системы селекции движущихся целей на основе проекционного метода 136
2.3. Математическая модель оценки потерь, вносимых системой первичной обработки в обнаружение полезного сигнала 138
2.3.1. Общие сведения 138
2.3.2. Потери, связанные с дискретизацией по частоте Доплера в схемах когерентно-некогерентного и когерентного накопителей азимутального пакета 139
2.3.3. Потери, связанные с многоканальностью 140
2.3.4. Математическая модель оценки потерь, вносимых устройством стабилизации уровня ложных тревог, в различных схемах межпериодной обработки 143
2.3.5. Потери в обнаружении, возникающие при фильтрации одиночного импульса 149
2.4. Результаты исследований на основе экспериментальных данных 152
2.4.1. Экспериментальная оценка эффективности обнаружения радиолокационных целей на фоне пассивных помех различного происхождения 152
2.4.2. Экспериментальная оценка эффективности обнаружения радиолокационных целей на фоне интенсивных отражений от местных предметов 157
2.5. Выводы по второй главе 162
Глава 3. Обнаружение сигнала в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки с использованием непараметрических алгоритмов на основе порядковых статистик 164
3.1. Система стабилизации уровня ложных тревог активной радиолокационной системы 164
3.1.1. Общие положения 164
3.1.2. Метод скользящего среднего 168
3.1.3. Метод отбора максимума из двух оценок 169
3.1.4. Метод порядковых статистик 169
3.1.5. Модифицированный метод порядковых статистик 171
3.2. Система защиты от импульсных помех с использованием оценки квантилей статистического распределения процесса 173
3.3. Адаптивный алгоритм пеленгации источников шумовых активных помех на основе оценки квантилей статистического распределения процесса 179
3.3.1. Формирование порога обнаружения шумовой активной помехи на основе оценки квантилей статистического распределения процесса 179
3.3.2. Математическая модель оценки чувствительности и точностных характеристик устройства пеленгации шумовой активной помехи 184
3.4. Выводы по третьей главе 186
Глава 4. Оценка параметров, разрешение и распознавание низколетящих воздушных объектов по сигнальным признакам 188
4.1. Оценки максимального правдоподобия параметров радиолокационных сигналов 188
4.1.1. Общие положения 188
4.1.2. Разрешение радиолокационных сигналов по методу наименьших квадратов 191
4.1.3. Разрешение по дальности и оценка параметров сигнала 194
4.1.4. Разрешение по азимуту и оценка параметров сигнала 197
4.1.5. Оценка скорости радиолокационных объектов 200
4.2. Распознавание радиолокационных сигналов с использованием признаков пропеллерной модуляции 204
4.3. Исследование возможности использования методов спектрального сверхразрешения для выявления признаков пропеллерной модуляции при обнаружении воздушных объектов с винтовым двигателем при малых ракурсных углах наблюдения 214
4.3.1. Общие положения 214
4.3.2. Метод классификации множественных сигналов MUSIC 216
4.3.3. Метод прямого-обратного линейного предсказания (ПОЛП) 218
4.3.4. Математическая модель радиолокационных сигналов, отраженных от летательного аппарата класса «самолет с винтовым двигателем» 223
4.3.5. Результаты моделирования 228
4.3.6. Результаты натурных экспериментов по исследование возможности использования методов сверхразрешения для выявления признаков пропеллерной модуляции 233
4.4. Выводы по четвертой главе 247
Глава 5. Синтез системы автокомпенсации шумовых активных помех в условиях нестационарной помеховой обстановки 250
5.1. Общие сведения 250
5.2. Модель сигнала, поступающего на антенную решетку 254
5.3. Синтез весового вектора АК ШАП 257
5.4. Плотность вероятности гауссовского случайного вектора при вырожденной корреляционной матрице 261
5.5. Синтез алгоритма линейной интерполяции коэффициентов настройки автокомпенсации шумовых активных помех 264
5.6. Экспериментальная оценка эффективности алгоритма линейной интерполяции весовых коэффициентов автокомпесатора шумовой активной помехи 279
5.7. Выводы по пятой главе 281
Глава 6. Исследования возможности использования оценки количественной меры степени когерентности радиолокационных сигналов для распознавания имитирующих сигналоподобных радиопомех 283
6.1. Анализ основных методов защиты от активных имитирующих сигналоподобных радиопомех 283
6.2. Количественная мера степени когерентности сигналов в виде энтропии распределения сигнала по собственным подпространствам его корреляционной матрицы 289
6.3. Экспериментальные исследования возможности селекции имитирующих сигналоподобных радиопомех на основе оценки распределения энергии сигналапо собственным числам корреляционной матрицы 298
6.3.1. Условия проведения эксперимента 298
6.3.2. Результаты эксперимента 301
6.3.3. Основные выводы по результатам эксперимента 305
6.4. Синтез системы селекции имитирующих радиопомех в составе первичной обработки когерентно-импульсной активной радиолокационной системы 307
6.5. Выводы по шестой главе 310
Глава 7. Сравнительный анализ малогабаритных радиолокационных станций обнаружения низколетящих воздушных объектов 312
7.1. Малогабаритные радиолокационные станции малой дальности 312
7.2. Малогабаритные мобильные РЛС обнаружения низколетящих целей 322
7.3. Выводы по седьмой главе 330
Общие выводы и заключение 332
Список литературы 341
Приложение
- Математическая модель учта поляризации антенн ЛА и РЛС
- Система защиты от импульсных помех с использованием оценки квантилей статистического распределения процесса
- Синтез алгоритма линейной интерполяции коэффициентов настройки автокомпенсации шумовых активных помех
- Малогабаритные радиолокационные станции малой дальности
Введение к работе
Актуальность темы.
Одной из основных задач, определяющих развитие радиолокационных
средств, является обеспечение обнаружения воздушных объектов на малых и
предельно малых высотах. Кроме того, активное развитие легкомоторной авиации,
находящейся, в том числе, в частном пользовании, ставит перед системой
контроля воздушного пространства задачу по устранению новой угрозы для
безопасности воздушного движения над административно-политическими
центрами и объектами техногенных катастроф. Также, осуществление контроля за
порядком использования воздушного пространства постоянно усложняется в связи
бурным развитием беспилотных летательных аппаратов различного класса и
назначения. Данная проблема характерна и особенно актуальна для воздушного
пространства в районе крупных административных центров. При этом, требования
электромагнитной совместимости, а также санитарных норм и правил
ограничивают применения в мирное время сверхвысокочастотного излучения
высокопотенциальных радиолокационных станций. Обобщая, можно
сформулировать основные причины, следствием которых является актуальность проблемы обнаружения низколетящих воздушных объектов:
развитие маневренных возможностей средств воздушного нападения;
развитие средств помехопостановки радиолокационным системам;
развитие гражданской авиации;
развитие частной легкомоторной маловысотной авиации;
появление и бурное развитие нового класса летательных аппаратов – беспилотных летательных аппаратов (БПЛА);
усложнение электромагнитной обстановки (промышленные и бытовые радиопомехи);
- ужесточение требований и норм электромагнитной совместимости.
Таким образом, задача создания маловысотного радиолокационного поля, в
том числе с применением низкопотенциальных, мобильных, малогабаритных активных радиолокационных систем, остается актуальной на протяжении уже нескольких десятилетий.
К современным радиолокационным системам обнаружения низколетящих
воздушных объектов предъявляются следующие основные технические
требования:
надежное обнаружение воздушных объектов, в том числе низколетящих и малоразмерных, на фоне экранирующего действия рельефа местности и местных предметов;
надежное подавление отражений от подстилающей поверхности, местных предметов, гидрометеоров и пассивных помех;
обеспечение разрешения объектов;
возможность классификации и распознавания типов объектов (в том числе малоразмерных легкомоторных самолетов, беспилотных летательных аппаратов и «зависших» летательных аппаратов – вертолетов и мультикоптеров);
помехозащищенность по отношению к различному виду активных помех;
малая излучаемая мощность;
высокая мобильность.
Реализация приведенных выше технических требований, отчасти противоречивых (с одной стороны – необходимость обеспечения заданной зоны обзора, помехозащищенности, высоких точностей и разрешающей способности, с другой – требования по мобильности, нормам излучения, которые исключают применение мощных передающих устройств и/или накладывают ограничения на размеры антенной системы), возможна только при сочетании конструктивно-технологических решений и использовании современной высокопроизводительной вычислительной техники с оптимальными (квазиоптимальными) методами обработки. Поэтому становятся актуальными, с практической точки зрения, задачи синтеза алгоритмов, требующих относительно небольших вычислительных затрат с одной стороны, и удовлетворяющих тому или иному частному критерию оптимальности, связанному с предъявленными к устройству техническими требованиями – с другой.
Известны отечественные и зарубежные активные радиолокационные систе
мы гражданского и военного назначения, в том числе мобильные радиолокацион
ные обнаружители низколетящих воздушных объектов с возможностью подъема
антенны на мачтовом устройстве, реализующие в той или иной мере данные тре
бования. Большинство этих радиолокационных средств работает в диапазоне час
тот более 2 ГГц, поэтому их эффективность при работе в осадках снижается из-
за возрастания затухания радиоволн при распространении, приводящего к умень
шению дальности обнаружения. Кроме того, в основном, данные радиолокацион
ные системы решают ряд узких специальных задач, например, обнаружение, ар
тиллерийских снарядов, мин, наземных движущихся объектов. При этом, приве
денные выше требования в полном объеме не реализуются.
Одной из основных задач при разработке РЛС является синтез системы цифровой обработки радиолокационной информации, обеспечивающей обнаружение, оценку параметров, разрешение и распознавание радиолокационных целей в заданных пределах работы на фоне активных и пассивных помех и вносящей минимальные потери в отношении сигнал/шум при обнаружении сигнала, отраженного от радиолокационной цели. Вопросы обнаружения, оценки параметров и разрешения радиолокационных сигналов, в том числе при воздействии активных и пассивных помех изучены достаточно подробно. Однако, несмотря на исчерпывающую информацию по отдельным рассмотренным вопросам, в современной научной литературе отсутствуют алгоритмы и методики проектирования активных радиолокационных систем обнаружения низколетящих воздушных объектов, предполагающие комплексный подход к синтезу системы пространственно-временной обработки сигналов на фоне помех. При этом, комплексный подход подразумевает жесткую взаимосвязь алгоритмов обработки, режимов работы радиолокационной системы, особенностей построения антенной, передающей и приемной систем, пропускной способности каналов связи, вычислительной мощности специализированной цифровой вычислительной машины, массогабаритных характеристик, стоимостных показателей и т.д. А при проектировании малогабаритных мобильных радиолокационных систем (с ограничениями по массе, габаритам, энергопотреблению и т.д.), где одним из основных показателей эффективности системы будут являться минимальные потери в отношении сигнал/шум при обнаружении сигнала, исследования направленные на реализацию данного подхода, становятся особенно актуальными.
Очевидно, что при обнаружении радиолокационными системами низколетящих воздушных объектов значительное экранирующее действие оказывает рельеф местности и местные предметы, что приводит к уменьшению дальности действия локационной системы. Проведение оценок эффективности работы радиолокационных систем по маловысотным объектам требует учета экранирующего действия местности, при этом можно считать, что максимальная дальность обнаружения низколетящих объектов радиолокационных систем коротковолнового диапазона волн (Х, S, и коротковолновой части L диапазона длин волн) равна дальности радиовидимости цели. При этом, одним из наиболее рациональных способов увеличения дальности обнаружения низколетящих воздушных объектов радиолокационными средствами является подъем фазового центра антенны радиолокационной системы над земной поверхностью. Также, обнаружение сигнала, отраженного от маловысотного объекта, проводится на фоне интенсивных помех - отражений от подстилающей поверхности и местных предметов, что подразумевает реализацию высокоэффективной системы подавления (компенсации) пассивных помех. Данные два фактора в решении проблемы обнаружения маловысотных (низколетящих) воздушных объектов можно выделить как основные. Кроме того, к современным радиолокационным средствам, как было отмечено выше, предъявляются дополнительные технические требования по информативности, помехозащищенности и мобильности.
Одной из основных задач при разработке радиолокационных систем является синтез цифровой обработки радиолокационной информации, которая будет определять конечный технический и конструктивный облик радиолокационной системы. При этом, система цифровой обработки радиолокационной информации должна обеспечивать обнаружение, оценку параметров, разрешение и распознавание радиолокационных объектов в заданных пределах работы на фоне активных и пассивных помех и вносящей минимальные потери в отношении сигнал/шум при обнаружении сигнала.
Обнаружение низколетящих воздушных объектов на малых и предельно малых высотах в основном ряде случаев будет характеризоваться сложной сигнально-помеховой обстановкой. Это означает наличие:
отражений от нескольких объектов – групповых целей в одном импульсном разрешаемом объеме;
летательных аппаратов различных классов (реактивные и винтовые: самолеты, вертолеты, дельтапланы, парапланы, беспилотные летательные аппараты -БПЛА и т.д.);
естественных радиопомех (индустриальные, помехи от метеорологических образований);
- организованных радиопомех (активные маскирующие, активные имити
рующие).
Все перечисленные выше помехи будут оказывать существенное влияние именно в ближней зоне радиолокационной станции и при обнаружении объектов на малых высотах.
Таким образом, при системном анализе проблемы обнаружения низколетящих воздушных объектов можно выделить три основных направления исследований:
1. Оценка эффекта интерференции радиоволн и зон радиовидимости низко
летящих воздушных объектов с учетом их экранирования макрорельефом местно
сти и местными предметами.
2. Cинтез оптимальных (квазиоптимальных) методов пространственно-
временной обработки когерентной пачки импульсов, принимаемой на фоне интен
сивных отражений от подстилающей поверхности и местных предметов.
3. Синтез алгоритмов оценки параметров, разрешения, распознавания и по-
мехозащиты от естественных и организованных радиопомех в условиях сложной
сигнально-помеховой обстановки.
Целью работы является развитие и техническая реализации методов цифровой обработки радиолокационных сигналов в мобильных малогабаритных радиолокационных системах при решении задач обнаружения низколетящих воздушных объектов в сложной сигнально-помеховой обстановке за счет комплексной реализации оптимальных (квазиоптимальных) методов обработки.
Задачи работы:
-
Разработать математическую модель оценки зон радиовидимости низколетящих воздушных объектов с учетом их экранирования макрорельефом различных классов местности и местными предметами.
-
Синтезировать и получить экспериментальную оценку эффективности системы селекции движущихся целей на основе проекционного метода квазиоптимальной обработки когерентной пачки импульсов.
3. Оценить целесообразность использования непараметрических алгоритмов
на основе порядковых статистик при обнаружении сигнала в условиях сложной
сигнально-помеховой обстановки.
4. Синтезировать систему распознавания винтовых летательных аппаратов с
использованием вторичной модуляции радиолокационных сигналов во временной
и частотной области.
-
Обосновать и экспериментально подтвердить целесообразность использования интерполяции весовых коэффициентов автокомпенсатора шумовой активной помехи с непосредственным обращением корреляционной матрицы для повышения помехозащищенности импульсных радиолокационных систем в условиях нестационарной помеховой обстановки.
-
Синтезировать и экспериментально исследовать систему селекции имитирующих сигналоподобных помех на основе оценки количественной меры степени когерентности радиолокационных сигналов.
7. Реализовать комплексный системный подход при синтезе методов и алго
ритмов обнаружения низколетящих воздушных объектов в малогабаритных ра
диолокационных станциях типа 1Л122-1Е и 1Л122-2Е.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Разработанная экспериментальная феноменологическая модель обеспечивает проведение оценки дальности обнаружения активной радиолокационной системой низколетящих воздушных объектов с учетом статистических закономерностей радиовидимости объектов по классам макрорельефов местности.
-
Запатентованная и экспериментально исследованная система селекции движущихся целей на основе проекционного метода квазиоптимальной межпери-одной временной обработки когерентной пачки импульсов обеспечивает обнаружение низколетящих воздушных объектов на фоне интенсивных отражений от ме-4
стных предметов и подстилающей поверхности с коэффициентом подавления пассивных помех в зоне режекции до минус 60 дБ.
-
Предложенный непараметрический алгоритм адаптивного формирования порога на основе порядковых статистик обеспечивает обнаружение каждого отдельного сигнала при нескольких близкорасположенных сигналах (в том числе слабого сигнала на фоне сильного) в случае сложной сигнально-помеховой обстановки в системах стабилизации уровня ложных тревог, пеленгации источников шумовых активных помех и защиты от импульсных помех.
-
Запатентованная и экспериментально исследованная система распознавания винтовых летательных аппаратов с использованием вторичной модуляции радиолокационных сигналов на основе авторегрессионного метода, позволяет повысить вероятность распознавания воздушного объекта, летящего на встречных курсах при ракурсных углах близких к нулевым, в среднем с 50% до 90% по сравнению с классическим алгоритмом, основанным на дискретном преобразовании Фурье.
-
Предложенный и экспериментально исследованный алгоритм интерполяции весовых коэффициентов автокомпенсатора шумовой активной помехи с непосредственным обращением корреляционной матрицы обеспечивает повышение коэффициента подавления помехи на 5-10 дБ в условиях нестационарной помеховой обстановке, а также позволяет решить задачу комплексной реализации систем автокомпенсации активных помех и межпериодной временной обработки сигналов.
-
Предложенный и экспериментально исследованный метод селекции имитирующих сигналоподобных помех на основе оценки количественной меры степени когерентности радиолокационных сигналов обеспечивает, в отличие от существующих методов, эффективную селекцию воздушных объектов различных классов (самолет с винтовым двигателем, реактивный самолет, вертолет, беспилотный летательный аппарат).
-
Разработанные, с использованием методического аппарата и комплексной реализации, предложенных в диссертации теоретических и технических решений, и запатентованные малогабаритные мобильные трехкоординатные радиолокационные станции 1Л122-1Е и 1Л122-2Е, обеспечивают выполнение современных требований, предъявляемых к радиолокационным системам данного класса.
Научная новизна работы состоит, прежде всего, в развитии теории и методологии обнаружения низколетящих воздушных объектов активными радиолокационными системами, позволяющих проводить анализ и синтез системы и подсистем пространственно-временной обработки сигналов, определить подходы к проектированию радиолокационных станций, выделить факторы и пути повышения эффективности их применения. В частности:
-
Впервые проведена оценка статистических закономерностей радиовидимости низколетящих воздушных объектов по классам макрорельефов местности.
-
Предложен и запатентован способ селекции движущихся целей на основе проекционного метода квазиоптимальной межпериодной временной обработки когерентной пачки импульсов на фоне помехи с заданными корреляционными свойствами.
3. Разработаны новые методы стабилизации уровня ложных тревог, пеленга
ции источников шумовых активных помехи и защиты от импульсных помех с
адаптивным порогом обнаружения на основе порядковых статистик, обеспечи-
5
вающие, в отличие от существующих методов, обнаружение групповых целей в сложной сигнально-помеховой обстановке.
-
Предложен частотно-временной подход к распознаванию винтовых летательных аппаратов с использованием вторичной модуляции радиолокационных сигналов во временной и частотной области. В отличие от существующих, алгоритмы, заложенный в основу работы запатентованных устройств, дают возможность выделять радиолокационные сигналы, отраженные от лопастей винтовых летательных аппаратов , при их короткой выборке.
-
Обоснован новый метод компенсации шумовой активной помехи с непосредственным обращением корреляционной матрица помех в условиях нестационарной помеховой обстановки с учетом комплексной реализации систем пространственно-временной обработки. В отличие от существующих методов позволяет учитывать динамическую ошибку в настройке автокомпенсатора, связанную с вращением антенны.
-
Впервые теоретически обосновано и экспериментально доказано использование оценки количественной меры степени когерентности радиолокационных сигналов для решения проблемы селекции имитирующих сигналоподобных помех.
-
Комплексная реализация предложенных методов и алгоритмах впервые реализована в запатентованных радиолокационных системах.
В общем, новизна предложенных в работе алгоритмов и технических решений подтверждена четырьмя патентами на изобретения и восьмью патентам на полезные модели.
Теоретическая значимость работы заключается в следующем:
-
Разработана экспериментальная феноменологическая модель на основе геометрической модели влияние углов закрытия на дальность обнаружения низколетящего воздушного объекта с учетом статистических закономерностей радиовидимости объектов по классам макрорельефов местности.
-
Теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность использования проекционного метода обнаружения полезного сигнала на фоне помехи с заданными корреляционными свойствами, использующего аппроксимацию неизвестной обратной корреляционной матрицы помехи матрицей-проектором на подпространство, ортогональное подпространству помех, для синтеза системы селекции движущихся целей импульсных радиолокационных систем.
-
На основе развития теории порядковых статистик разработана методика формирования адаптивного порога обнаружения для решения задачи обнаружения слабых сигналов на фоне сильных, пеленгации источников шумовых активных помехи и защиты от импульсных помех.
-
Обоснована целесообразность использования метода наименьших квадратов для синтеза системы разрешения радиолокационных объектов и обеспечивающего, по сравнению с существующими методами, сверхрелеевское разрешение, оценку параметров сигнала групповой цели и его распространение на модель сигнала с произвольным количеством целей.
-
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования авторегрессионных методов спектрального анализа для распознавания винтовых летательных аппаратов по вторичной модуляции радиолокационных сигналов во временной и частотной области при короткой выборке сигнала.
-
Теоретически обоснована и экспериментально доказана эффективность использования интерполяции весовых коэффициентов автокомпенсатора шумовой активной помехи для повышения помехозащищенности импульсных радиолокационных систем в условиях нестационарной помеховой обстановки.
-
Впервые теоретически доказана и экспериментально подтверждена возможность использование энтропии распределения энергии радиолокационного сигнала по собственным подпространствам его корреляционной матрицы для селекции имитирующих сигналоподобных помех.
Практическая значимость работы заключается следующем:
-
Систематизирована методология синтеза активных импульсных радиолокационных систем обнаружения низколетящих воздушных объектов, обеспечивающих выполнение современных требований к техническим характеристикам при жестких ограничениях по массе, габаритам, энергопотреблению, номенклатуре элементной базы и стоимости.
-
Разработанные теоретические методы, математические модели и алгоритмы позволяют реализовать современные требования, предъявляемые к малогабаритным мобильным радиолокационным системам обнаружения низколетящих воздушных объектов при жестких ограничениях по массе, габаритам и энергопотреблению.
-
Запатентованные технические решения позволили разработать ряд радиолокационных станций (Л122-1Е, 1Л122-2Е), не имеющих отечественных аналогов и не уступающих существующим зарубежным аналогам при значительно меньших массогабаритных характеристиках и потребляемой мощности.
Внедрение результатов работы.
Содержащиеся в диссертации результаты внедрены в радиолокационных станциях 1Л122-1Е, 1Л122-2Е, созданных и изготовляемых АО «Федеральный научно-производственных центр «Нижегородском научно-исследовательский институт радиотехники» (АО «ФНПЦ «ННИИРТ»). В настоящее время радиолокационные станции 1Л122Е и 1Л122-1Е серийно изготавливаются АО «ФНПЦ «ННИ-ИРТ» и АО «ННПО имени М.В.Фрунзе». Внедрение подтверждается актами, приложенными к диссертации.
Степень обоснованности и достоверности научных положений, результатов проведенных исследований и выводов.
Обоснованность теоретических положений диссертационного исследования основывается на использовании классических методов теории вероятностей, математической статистики, статистической радиофизики, статистической радиотехники, теории матриц, теории распространения радиоволн, теории антенн, методах радиофизических измерений, цифровом спектральном анализе и теоретической радиолокации. Также, проведенные в работе исследования базируются на методах математического моделирования и натурных экспериментах.
Достоверность результатов обеспечена экспериментальной проверкой с использованием высокотехнологичной аппаратуры и подтверждена сопоставлением результатов математического моделирования с натурными испытаниями.
Результаты согласуются с современными научными представлениями и данными, полученными при обзоре отечественных и зарубежных источников. Полученные в работе результаты подтверждаются обсуждением в публикациях в научных изданиях, входящих в перечень, рекомендуемый ВАК.
Приоритет и новизна полученных результатов подтверждена наличием действующих патентов на изобретения и полезные модели.
Основные положения диссертации неоднократно докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, включая международные.
Публикации и апробация результатов работы.
По теме диссертации автором опубликовано 66 работ: 17 статей в изданиях, рекомендованных ВАК; 10 статей в других изданиях; 12 патентов РФ на изобретения и полезную модель; 3 монографии; 8 статей в материалах международных научных конференций; 4 статьи в материалах всероссийских научных конференций; 12 статей и тезисов докладов в сборниках трудов региональных научных конференций.
Структура и объем работы.
Математическая модель учта поляризации антенн ЛА и РЛС
Для описания поляризации антенн будем пользоваться дипольным приближением, т.е. считать, что антенна представляет собой одиночный диполь (Рисунок 1.2.).
На Рисунке 1.2. р - вектор дипольного момента, п - вектор направления излучения, Е - вектор напряжнности электрического поля волны, В - вектор индукции магнитного поля волны. По теории излучения диполя направление вектора Е определяется следующим образом: где п0 = п/Щ, р0 = pl\p\. Угловые координаты вектора дипольного момента р могут быть вычислены через угловые координаты оси диаграммы направленности антенны с учтом е поляризации. Обозначим через вектор / направление оси симметрии ДН антенны. Вертикальной поляризацией антенны назовем такое положение вектора р, при котором он не лежит в плоскости, параллельной плоскости Земли, при этом он не обязательно должен быть ортогонален плоскости Земли. На Рисунке 1.3. показан пример антенны РЛС с вертикальной поляризацией в системе координат Oxyz.
Знак в первом равенстве (“+” или “–”) выбирается с тем расчтом, чтобы угол Ор укладывался в диапазон 0 б ? 180. При 6ог = 0 и 6ог= 180 вертикальная поляризация переходит в горизонтальную (вектор р лежит в плоскости, параллельной плоскости Земли).
Для того, чтобы вычислить коэффициент рассогласования из-за несовпадения поляризаций примной антенны и приходящего излучения, вначале по формуле (1.8) вычисляется вектор Ег для примной антенны в направлении приходящего излучения (как если бы антенна была излучающей), затем вычисляется вектор Е приходящей на примную антенну волны.
Проекция нормированного вектора Ё на нормированный вектор Ёг дат амплитудный коэффициент рассогласования: где а - угол между векторами Ё и Ег. Способ вычисления вектора Ё приходящей на примную антенну волны зависит от рассматриваемой компоненты сигнала. Для прямой компоненты Е = Е, где Ё - вектор напряжнности электрического поля, излучаемого передающей антенной в направлении на примную. Формула (1.10) подразумевает, что приходящая на примную антенну волна является линейно поляризованной.
В силу того, что комплексные коэффициенты отражения (Френеля) П и Г, введнные выше, вносят разность фаз между ТЕ- и ТМ-компонентами вектора Ё зеркально отражнной волны (ТЕ - ортогональная плоскости падения компонента, ТМ - лежащая в плоскости падения), поляризация отражнной волны в общем случае будет эллиптической. Чтобы найти амплитуду колебания, создаваемого эллиптически поляризованной волной в плоскости поляризации примной антенны, рассмотрим плоскость, ортогональную направлению прихода отражнной волны (векторы Е и Ег лежат в этой плоскости) (Рисунок 1.4.).
На Рисунке 1.4. ось х0 параллельна плоскости Земли и ортогональна плоскости падения, а ось у0 лежит в плоскости падения. Вектор Ё образует ТМ-компоненту отражнной волны, вектор Ё[ - ТЕ-компоненту.
Данное выражение учитывает также и ослабление зеркальной компоненты, обусловленное модулями коэффициентов Френеля.
Что касается диффузно рассеянной компоненты, то, как было отмечено выше, при несовпадающих поляризациях передающей и примной антенн (в данном случае под поляризацией антенн следует понимать отличие мощностей ТЕ- и ТМ-компонент векторов поляризации антенн (дипольное приближение), где ТЕ- и ТМ-компоненты рассматриваются применительно к плоскости распространения прямой и зеркально отражнной волн) удельная эффективная площадь рассеяния (ЭПР) поверхности уменьшается примерно на 10 дБ (в 3 раза), что эквивалентно уменьшению коэффициента рассогласования по амплитуде с единичного значения (при полностью совпадающих поляризациях антенн) доі/л/з (при взаимно ортогональных поляризациях). Учитывая вышесказанное, примем следующую аппроксимацию коэффициента рассогласования по амплитуде для рассеянной компоненты сигнала
Следует отметить, что уменьшение коэффициента рассогласования по амплитуде в л/3 раз при несовпадающих поляризациях передающей и примной антенн является чисто экспериментальным фактом, поэтому детальный механизм отражения излучения от Земной поверхности здесь не рассматривается, и, таким образом, описанный подход к вычислению коэффициента рассогласования является оправданным. В рамках данного подхода поляризация приходящей на примную антенну волны является линейной, в связи с чем аппроксимация (1.13), похожая на формулу (1.10), выглядит вполне естественной. В данной работе рассматривается случай горизонтальной поляризации антенн РЛС и цели.
Система защиты от импульсных помех с использованием оценки квантилей статистического распределения процесса
Традиционная схема построения канала цифровой обработки сигналов предусматривает наличие линейного тракта с заданным динамическим диапазоном для обеспечения требуемых характеристик системы защиты от помех и наличие нормирующего устройства (НУ). При этом НУ выполняет двойную функцию: ограничения - для защиты от импульсных помех и нормировки динамического диапазона - для ограничения разрядности устройства фильтра «сжатия», являющегося, особенно для сигналов с большими базами, одним из наиболее «затратных» устройств с точки зрения производительности [92].
Задача защиты от импульсных помех обычно решается с помощью схемы амплитудного ограничителя с фиксированным порогом ограничения, что дополнительно позволяет снизить требования к динамическому диапазону последующего тракта обработки.
Следует отметить, что использование в качестве нормирующего устройства (НУ) амплитудного ограничителя имеет ряд известных недостатков:
- потери при обнаружении слабых сигналов;
- искажение формы сигнала;
- подавление слабого сигнала сильным при наличии нескольких перекрывающихся во времени полезных сигналов.
При этом существенным образом повышаются требования к устройству защиты от импульсных помех и приводят к необходимости изменить сам подход к построению нормирующего устройства, синтезировать его на основе адаптивного формирования порога ограничения. Под адаптацией, в данном случае, следует понимать селекцию входных сигналов по длительности: все сигналы с длительностью, меньшей некоторого значения Г0, ограничиваются, остальные - проходят на выход устройства без изменения.
Качество работы такого устройства может быть оценено по следующим критериям:
- минимальная величина вносимых потерь при обнаружении порогового сигнала на фоне собственного шума;
- высокая (близкая к единице) избирательность временной селекции, характеризующаяся отношением Г0/гс, где тс длительность полезных сигналов;
- минимальная величина потерь в соседних с нестационарной помехой (длительностью Г0) областях во всем диапазоне изменения амплитуд помехи.
Простейший способ формирования адаптивного порога с помощью скользящего среднего арифметического (в некотором окне) с точки зрения сформулированных критериев имеет низкое качество. Действительно, повысить отношение Г0/ тс можно только за счет увеличения размеров скользящего окна, что приводит к неоправданному завышению порога в окрестности стационарных помех.
Качество функционирования нормирующего устройства может быть значительно повышено при использовании алгоритма формирования адаптивного порога на основе анализа порядковых статистик [133]. Структурная схема нормирующего устройства приведена на Рисунке 3.4.
Со входа устройства отсчеты Xt поступают на линию задержки и мплитудный детектор (преобразователь распределения), необходимый для того, чтобы заменить оценку мощности входного процесса оценкой какого-либо момента распределения преобразованного процесса.
В качестве оценки адаптивного порога ограничения используется выборочная медиана, т.е. берется отсчет с номером k N/2 (к-тая порядковая статистика). После умножения на коэффициент Т, к-тая порядковая статистика используется в качестве порога ограничения. Коэффициент Т подбирается таким образом, чтобы отсчеты собственного шума подвергались ограничению с достаточно малой вероятностью (для радиолокационных систем обнаружения воздушных объектов равной, например, 10 4). Это гарантирует отсутствие потерь при обнаружении слабых сигналов. Значения параметров к и N определяются следующим образом.
Номер используемой в качестве оценки порядковой статистики должен удовлетворять следующему условию
Т.е. чтобы ограничивать помехи длительностью до Го включительно нужно иметь окно оценки как минимум в два раза больше.
Для иллюстрации работы системы защиты от импульсных помех рассмотрим базовую схему цифровой обработки радиолокационных сигналов с использованием 2-х типов зондирующих ЛЧМ сигналов («длинного» и «короткого») на одной рабочей частоте. Использование «короткого» зондирующего сигнала и соответствующих алгоритмов обработки позволяет обеспечить заданные характеристики обнаружения и разрешения в ближней зоне и «длинного» сигнала – в дальней зоне.
На Рисунке 3.5 изображены эпюры процесса на выходе преобразователя распределения (светлая линия) и процесса формирования порога (темная линия) для случая входного воздействия в виде совокупности собственного шума, полезного ЛЧМ сигнала длительностью 15 отсчетов и сигнала импульсной помехи, длительностью 5 отсчетов. При этом для определенности соотношение амплитуд полезного сигнала и помехи было выбрано 1:3.
Как следует из Рисунка 3.5, полезный сигнал проходит на выход устройства без ограничения, тогда как импульсная помеха длительностью 6 квантов подвергается жесткому ограничению. При этом уровень порога в интервале действия помехи остается примерно таким же, как и для собственного шума.
Синтез алгоритма линейной интерполяции коэффициентов настройки автокомпенсации шумовых активных помех
Рассмотрим пример трехканального АК ШАП. Для обеспечения реализации алгоритмов автокомпенсации шумовой активной помехи в антенной системе формируются три диаграммы направленности антенны основного и компенсационных каналов (Рисунок 5.2). Как видно из Рисунка 5.2., вне области главного максимума диаграммы направленности антенны компенсационных каналов перекрывают боковые лепестки диаграммы направленности антенны канала локации, а в области главного максимума коэффициент усиления канала локации на 13 дБ больше коэффициента усиления компенсационных каналов.
При реализации автокомпенсатора было взято L = 50, что при трех компенсационных каналах позволяет эффективно настраиваться не только по относительно слабой помехе, но и по собственному шуму, когда оценка х0 должна быть близкой к нулю.
Как показало математическое моделирование, при настройке АК по собственному шуму потери в отношении сигнал-шум, вносимые компенсационными каналами, составляют не более 0,2 дБ. Автокомпенсатор настраивается в конце служебной зоны между двумя излучаемыми пачками импульсов, где отсутствуют пассивные помехи.
Учитывая, что фазовые центры основной и компенсационных антенн разнесены на величину, существенно меньшую элемента разрешения по дальности, то в отсутствие искажающих факторов помеха в основном и компенсационных каналах должна иметь единичную корреляцию. Это, в соответствии с (5.10), обеспечивает бесконечное подавление. Однако при практической реализации всегда существуют амплитудно-частотные различия в аналоговой аппаратуре основного и компенсационных каналов, что приводит к декорреляции помехи [185]. Тем не менее, учитывая, что фазовый детектор и полосовой фильтр реализованы в цифровом виде, а полоса фильтра, в большинстве практических случаев, сравнительно мала (100200 кГц), можно ожидать достаточно высокой корреляции компенсационных каналов с основным. Тогда, например, при коэффициенте корреляции р = 0,999 между основным и любым из трех компенсационных каналов, в соответствии с формулой (5.10) получаем уровень подавления суммарной мощности помех около 27 дБ.
Пусть работа радиолокационной системы осуществляется по следующей временной диаграмме, представленной на Рисунке 5.4.
Интервалы между служебными зонами составили, в данном случае, 1/4 ширины ДН ОК по уровню минус 3 дБ.
Рассмотрим подробнее на математической модели эффект несоответствия параметров весовых коэффициентов автокомпенсатора пространственному положению диаграммы направленности антенны и источника помехи, связанным с вращением антенны радиолокационной системы [47].
Рассмотрим случай с одним постановщиком ШАП, действующим по первому боковому лепестку основного канала диаграммы направленности антенны мощностью 60 дБ (Рисунок 5.5). Ширина диаграммы направленности по уровню 3дБу#дна = 10
Результаты моделирования показаны на Рисунках 5.6.-5.9., где представлена зависимость входного (красная линия) и выходного колебания (синяя линия) помехи, а также собственный шум (черная пунктирная линия) автокомпенсатора помех. По оси Х отлодены кванты (дискреты) дальности. Максимальный результат работы АК достигается при полном подавлении колебания помехи до уровня собственных шумов, что и отражено на Рисунке 5.6.
Весовой коэффициент формируется на этапе анализа помеховой обстановки и режима выбора рабочей частоты. Однако вследствие сканирования ДН антенны РЛС или перемещения в пространстве помехопостановщика запомнившийся весовой коэффициент «устаревает». Данное обстоятельство подтверждают результаты моделирования.
Из приведенных графиков следует, что вследствие сканирования ДН антенны эффективность работы автокомпенсатора помех ухудшается, так как снижается коэффициент подавления.
На Рисунке 5.10. представлены графики зависимости уровня ШАП до (верхние кривые) и после (нижние кривые) автокомпенсации от угла поворота антенны при темпе обзора 2 сек. Из приведенных графиков следует, что из-за изменения угловых соотношений между лучом антенны и постановщиком помех коэффициент подавления помехи снижается. Если после настройки параметров ВК в начале рабочей зоны коэффициент подавления ШАП (Кпод) составляет в среднем Кпод 25 дБ, то в конце РЗ он всего лишь Кпод 10 дБ. При этом чем больше временной интервал в РЗ, тем меньше среднее подавление ШАП из-за «устаревания» параметров весовых коэффициентов АК.
Рассмотрим результаты моделирования по оценке динамики изменения значений весовых коэффициентов в пределах рабочей зоны. На Рисунке 5.12 показаны значения весовых коэффициентов, вычисленных в каждом рабочем такте. Можно заметить, что в пределах рабочей зоны (между провалами до нуля, что соответствует служебной зоне) динамика изменения весовых коэффициентов близка к линейному закону.
Таким образом, можно сделать вывод о возможности повысить эффективность работы системы автокомпенсации ШАП, уменьшив влияние эффекта несоответствия параметров весовых коэффициентов автокомпенсатора пространственному положению диаграммы направленности антенны и источника помехи, связанным с вращением антенны радиолокатора, с помощью предложенной в работах [186, 187] процедуры линейной интерполяции коэффициентов настройки.
Рассмотрим алгоритм линейной интерполяции коэффициентов настройки автокомпенсации шумовых активных помех. В первой служебной зоне весовой коэффициент W\ настраивается и запоминается. Излучается и принимается полезный сигнал в первой рабочей зоне. Далее во второй служебной зоне происходит очередная настройка и запоминание весового коэффициента Wi-Чтобы скомпенсировать помеху в первой рабочей зоне, необходимо из весового коэффициента W2 вычесть весовой коэффициент Wx и разделить на весь интервал рабочей зоны D.
В результате полученных выражений (5.21) и (5.22), а также в соответствии с функциональной схемой (Рисунок 5.13) построим математическую модель адаптивного устройства автокомпенсации помех с линейной интерполяцией коэффициентов АК ШАП. Рассмотрим аналогичный случай с одним постановщиком ШАП, действующим по первому боковому лепестку основного канала диаграммы направленности антенны мощностью 60 дБ (Рисунок 5.5). Ширина диаграммы направленности по уровню 3дБ /Здна = 10.
На Рисунках 5.14 - 5.19 показаны результаты моделирования:
- ШАП, промодулированная диаграммой направленности основного канала - ОК (красная линия на Рисунках 5.14 - 5.19);
- ШАП на выходе системы АК без линейной интерполяции весовых коэффициентов (синяя линия на Рисунках 5.14 - 5.15);
- ШАП на выходе системы АК с линейной интерполяцией весовых коэффициентов, выполненной 1 способом, в соответствии с выражениями (5.21) (синяя линия на Рисунках 5.16 - 5.17);
- ШАП на выходе системы АК с линейной интерполяцией весовых коэффициентов, выполненной 2 способом, в соответствии с выражениями (5.22) (синяя линия на Рисунках 5.18 - 5.19).
Малогабаритные радиолокационные станции малой дальности
Задача создания маловысотного радиолокационного поля остается актуальной и успешно решается на протяжении уже нескольких десятилетий [219-224]. Известны отечественные радиолокационные станции, с различной степенью эффективности решающие данные задачи [13, 220]. К наиболее известным из них можно отнести: П-15 "Тропа" – мобильная двухкоординатная радиолокационная станция дециметрового диапазона волн (Рисунок 7.1. - а); СТ-68У – подвижная трехкоординатная радиолокационная станция дециметрового диапазона (Рисунок 7.1. - б); Каста-2Е2 (39Н6) – подвижная трхкоординатная радиолокационная станция дециметрового диапазона кругового обзора дежурного режима (Рисунок 7.1. - в); «Сопка-2» – трассовый радиолокационный комплекс S-диапазона предназначен для использования в качестве источника радиолокационной информации для систем управления воздушным движением и контроля воздушного пространства (Рисунок 7.1. - г) [13, 219-224].
Кроме того, развитие средств воздушного нападения на малых и предельно малых высотах выявило необходимость повышения информационного обеспечения о состоянии воздушного пространства подразделений противовоздушной обороны вооруженных зенитными ракетными комплексами (ЗРК) ближнего действия такими как: переносные зенитные ракетные комплексы (ПЗРК) «Игла», ЗРК «Стрела-10», «Тунгуска», «Шилка», «Тор-М1», «Тор-М2». Прежде всего, это относится к ЗРК, не имеющим средств радиолокационной разведки, то есть не являющимися всепогодными. К таким зенитным комплексам относятся ПЗРК «Игла» и ЗРК «Стрела-10» различных модификаций [219, 220].
Таким образом, в настоящее время наиболее актуальной становится задача создания маловысотного радиолокационного поля, в том числе с применением низкопотенциальных, мобильных, малогабаритных активных радиолокационных систем [5, 6, 261, 284].
Предъявление современных технических требований к радиолокационной технике по мобильности, информативности, возможности работы по низколетящим воздушным объектам привело к созданию в России и за рубежом новых типов активных радиолокационных систем [286-288].
К таким системам предъявляются следующие основные требования [1-3]:
- надежное обнаружение воздушных объектов, в том числе низколетящих объектов и малоразмерных, на фоне экранирующего действия рельефа местности и местных предметов;
- надежное подавление отражений от подстилающей поверхности, местных объектов, гидрометеоров и пассивных помех, а также высокая помехозащищенность по отношению к активных помехам;
- обеспечение разрешения объектов;
- возможность классификации и распознавания типов объектов (в том числе малоразмерных легкомоторных самолетов, беспилотных летательных аппаратов и «зависших» вертолетов);
- малая излучаемая мощность.
Известны отечественные и зарубежные активные радиолокационные станции, реализующие в той или иной мере рассмотренные выше требования и решающие задачи обнаружения низколетящих объектов, работающие в D-диапазоне волн (РЛС «EL/M-2106», «EL/M-2106H2 - фирма «Elta Electronics», Израиль; РЛС «AN/UPS-3» - фирма «Lear Astronics Corp.», США; РЛС «AN/PPQ-2» - фирма «Locheed Martin», США), или в более высокочастотных диапазонах (РЛС «Кредо», «Фара» - НИИ «Стрела», Россия; РЛС «TRS2620/2630 Gerfaut» - фирма «Thomson», Франция; обзорная РЛС системы «Shahine» - фирма «Thomson», Франция; РЛС «LASR» - фирма «Hughes Aircraft», США; РЛС «Guardsman» - фирма «PlesseyRadar», Великобритания; РЛС «Hard» - фирма «LM Ericsson», Швеция; РЛС «Helicapture» - фирма «Rafael», Израиль; РЛС «MPQ-53(V), MPQ-64(V)» -фирма «Raytheon Systems Company», США).
Среди новейших отечественных разработок радиолокационных систем данного класса можно назвать РЛС 1Л122-1Е (АО «Федеральный научно-производственный центр «Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники») [13, 229, 230, 289]. Основные характеристики РЛС 1Л122-1Е приведены в Таблице 7.1. [13].
Радиолокационная станция 1Л122-1Е – это трехкоординатная когерентно-импульсная РЛС кругового обзора, работающая в дециметровом диапазоне длин волн (L – частотный диапазон), с твердотельным передатчиком, с цифровой фазированной антенной решеткой (ФАР). При размерах апертуры антенной решетки – 1200х800 мм, РЛС имеет среднюю мощность излучения 18Вт [231, 234]. Радиолокационная станция спроектирована по классической схеме, как станция кругового обзора, с механическим вращением антенной решетки (АР) в азимутальной плоскости (Рисунок 7.2.) [232, 233].
Сочетание оптимальных конструктивно-технологических решений с использованием современной вычислительной техники и оптимальными (квазиоптимальными) методами обработки позволили обеспечить заданную зону обзора при средней мощности излучения 18 Вт, жестких ограничениях по массе и габаритам аппаратуры, исключающим применение мощных передающих устройств и накладывающих ограничения на размеры полотна антенной решетки [231, 234].
Радиолокационная станция 1Л122-1Е при минимальном участии обслуживающего персонала обеспечивает [13]:
– автоматическое обнаружение, сопровождение, распознавание, самолетов, крылатых ракет, беспилотных летательных аппаратов;
– определение государственной принадлежности обнаруживаемых объектов;
– автоматическую выдачу трассовой информации о сопровождаемых объектах на комплексы средств систем автоматизации;
– автоматическую топопривязку и ориентирование с использованием космической навигационной системы ГЛОНАСС и GPS.
Использование параллельного способа обзора угломестной зоны позволяет реализовать когерентное накопление сигнала в каждом угломестном канале. При этом достигаются минимальные потери в обнаружении цели, обеспечивается эффективное подавление сигналов, отраженных от местных предметов и пассивных помех, а также измерение высоты воздушных объектов в заданном угломестном секторе.
Кроме того, незначительный уровень мощности зондирующего сигнала обеспечивает длительное безопасное пребывание персонала в непосредственной близости от РЛС [234].