Введение к работе
Постановка решаемой проблемы. Актуальность темы.
Современные и перспективные средства радиолокационного наблюдения воздушных объектов (ВО) должны решать широкий круг задач, из которых к числу наиболее важных можно отнести:
- своевременное обнаружение малозаметных и низколетящих ВО;
устойчивое сопровождение плотных групп маневрирующих целей и определение их количественного состава;
преодоление факторов, снижающих радиозаметность ВО за счет применения технологий «Стэлс»;
распознавание классов и типов ВО с требуемым качеством.
Существующие импульсные РЛС с узкополосными (УП) зондирующими сигналами (ЗС) и круговым механическим обзором пространства не спс> собны качественно решать указанные задачи в сложной и быстро изменяющейся сигнально-помеховой обстановке. Во многом это связано с их недостаточной разрешающей способностью и точностью измерений координат целей, а также низким темпом обновления информации.
В этих условиях перспективным направлением совершенствования РЛС является расширение спектра ЗС, вплоть до перехода к сверхширокополосным (СШП) сигналам, в сочетании с использованием пространственно-многоканальных антенных систем — антенных решеток (АР). Такое количественное наращивание информационных возможностей создает предпосылка качественного роста показателей РЛС.
Теоретически прогнозируемые достоинства СШП РЛС связаны с улучшением разрешающей способности по дальности, вплоть до разделения блестящих точек (БТ) на поверхности ВО, уменьшением влияния интерференционных эффектов при рассеянии волн, повышением защищенности РЛС от помех различного вида, улучшением радиозаметности целей и т.д.
Еще в большей степени эти достоинства СШП ЗС должны проявиться, если в РЛС возможен гибкий электронный или безынерционный (параллель-
ный) обзор пространства, однозначно определяющий применение АР. В этом случае в СШП РЛС улучшаются характеристики разрешения и измерения всех координат ВО, создаются условия для многофункциональности работу и накопления большого числа импульсов полезного сигнала.
Поэтому актуальной задачей радиолокации является разработка теоретической базы для создания РЛС с безынерционным обзором пространства СШП сигналами и изыскание путей их практической реализации. На их основе может быть создан новый класс радиолокационных средств, обладающих совокупностью вышеназванных достоинств.
Проблема построения СШП РЛС с безынерционным обзором пространства требует комплексного, системного подхода к ее решению, основанного на теории пространственно-временной обработки для неразделяю-щихся пространственных и частотно-временных информативных параметров сигналов. При этом оказываются неприемлемыми допущения традиционной теории, вытекающие из узкополосности ЗС: д///0=/^«1 и = /4%)втО0/Ав0і(град)«\, где Д/,/, - ширина полосы ЗС и его несущая частота соответственно, 6>0 и А&0 5 - угол отклонения луча АР от нормали и его ширина. В УП РЛС на этой основе возможно:
независимо синтезировать и анализировать антенные системы и устройства внутриимпульсной частотно-временной обработки;
факторизовать многомерную функцию неопределенности (МФН) на две двумерные: пространственную - диаграмму направленности (ДН) и частотно-временную - функцию Вудворта;
возложить функции разрешения и измерения угловых координат ВО на АР, а дальности и скорости — на частотно-временную обработку.
Для РЛС с АР превышение параметром є установленных в диссертации пределов приводит к тому, что вышеназванные теоретические допущения не просто теряют необходимую точность, но становятся принципиально несостоятельными, поскольку не отражают физической сущности происхог дящих процессов.
Поэтому СШП РЛС с безынерционным обзором пространства, наряду с уточнением ряда понятий, требуют пересмотра основополагающих принципов построения и методик расчета РЛС. Необходимость поиска новых подходов диктуется тем, что требуется учитывать не только взаимное влияние АР и сигнала, но и то, что АР непосредственно участвует в формировании ЗС и обработке эхо-сигнала, а пространственные свойства РЛС определяет сам СШП сигнал. В этом случае пространственные и частоти о-временные параметры радиолокационных сигналов не могут быть разделены. Относя именно такие РЛС к классу СШП, следует констатировать, что известные из литературы подходы к их теории и практике комплексно не разработаны.
Несомненным достоинством СШП РЛС в указанном смысле следует считать возможность такого безынерционного обзора пространства (БОП), который теоретически не ограничивает ширину спектра сигнала и его вид, в том числе позволяет использовать многочастотные (МЧ) или видеоимпульсные сигналы (ВИС) без несущей частоты, снимающие ограничения на относительную полосу ЗС. Их применение также позволяет сочетать в одной РЛС достоинства высокого разрешения и точности измерений с работой в диапазонах волн (дециметровом или метровом), где отражающие свойства (ЭПР) ВО максимальны, а влияние помех минимально.
Однако реализовать СШП РЛС с совокупностью указанных достоинств на основе базовых принципов построения традиционных РЛС невозможно. Поэтому комплексное решение задачи разработки теоретических основ и создания СШП РЛС с безынерционным обзором пространства в дециметровом и метровом диапазонах волн и их экспериментальное подтверждение представляет сложную научно-техническую проблему, имеющую важное значение для развития радиолокационной науки и техники. Эта проблема включена в Федеральную целевую программу «Национальная технологическая база» и ее решению посвящена данная работа, что определяет ее aicry-альность и своевременность.
Целью работы является разработка принципов построения и развитие теории нового класса РЛС дециметрового и метрового диапазонов, реализующих безынерционный обзор пространства сверхширокополосными сигналами с неразделяющимися пространственно-временными параметрами.
Для достижения этой цели поставлены задачи:
- определить новые критерии широкополосности пространственно-
временных ЗС в РЛС с антенными решетками;
разработать способы безынерционного обзора пространства в СШП РЛС на основе взаимосвязанного выбора совокупности параметров ЗС и антенной системы;
синтезировать алгоритмы и схемы оптимальной (согласованной) обработки СШП пространственно-временных (частотных) сигналов на фоне белого гауссова шума приемника;
определить и исследовать свойства нефакторизуемых многомерных функций неопределенности СШП сигналов на выходе согласованных устройств обработки;
проанализировать потенциальные возможности раздельного и совместного разрешения и измерения информативных параметров СШП сигналов;
получить уравнения дальности СШП радиолокации точечных и протяженных ВО и исследовать характеристики обнаружения протяженных ВО;
исследовать защищенность СШП РЛС от пассивных и активных помех и предложить методы их защиты;
экспериментально исследовать и подтвердить базовые принципы построения и методики расчета СШП РЛС с БОП.
Методы исследований.
При решении поставленных в работе задач использовались методы статистической теории радиолокации, теории антенных решеток, теории систем сигналов, матричный анализ, методы теории вероятностей и математической статистики, методы моделирования и натурного эксперимента.
Научная новизна. В процессе проведения исследований получены новые научные результаты:
обобщен принцип пространственно-частотной эквивалентности, на основе которого получены количественные критерии и предложена классификация пространственно-временных (частотных) сигналов по степени их широкополосное в РЛС с АР;
разработаны методы безынерционного обзора пространства в СШП РЛС, основанные на применении ортогональных ЗС, излучаемых каналами передающей АР, в сочетании с апертурным синтезом на прием;
методом максимального правдоподобия синтезированы пространственно-временные и пространственно-частотные согласованные фильтры, обеспечивающие синтез приемной апертуры и формирование далыюстно-угло-скоростных каналов приема на выходе одиночной приемной антенны;
введены и исследованы нефакторизуемые многомерные функции неопределенности и их главные сечения, определяющие потенциальные точности измерений и меры разрешения пространственных и частотно-временных информативных параметров СШП сигналов с учетом их корреляции, отличающиеся от традиционных;
для СШП РЛС получены основные уравнения дальности и зон видимости точечных и протяженных ВО, разработана методика отыскания параметров этих уравнений, и определены характеристики обнаружения, отличающиеся от традиционных;
разработаны и исследованы алгоритмы обнаружения протяженных целей на фоне пассивных и активных помех и методы защиты от них СШП РЛС, имеющие специфические особенности по сравнению с известными.
Практическая ценность результатов работы определяется тем, что они позволяют:
- определить построение перспективных СШП РЛС с безынерционным
обзором пространства и методы расчета их характеристик;
обоснованно и взаимосвязано выбирать параметры ЗС и многоканальной антенной системы;
оптимизировать СШП РЛС по энергетическим и точностным характеристикам и адаптировать их к специфике радиолокационных средств различного назначения;
использовать созданные устройства и методики анализа экспериментального образца СШП РЛС с многочастотным сигналом в качестве апробированных прототипов для проектирования перспективных СШП РЛС;
обосновать тактико-технические требования к СШП РЛС предложенного построения и выбрать рациональный вариант их реализации.
Реализация и внедрение результатов исследований. Рекомендации, разработанные и предложенные автором, использовались при проведении исследований в следующих организациях.
-
Всероссийский НИИ радиотехники (1972-1993 г.г.) — при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по темам: «Сопровождение» «Перспектива», «Сравнение-3», «Первоисточник» и др., выполненных по заказам Министерства Обороны СССР и РФ.
-
Научно-технический центр Министерства оборонной промышленности РФ (1993-1997г.г.) — при проведении научно-исследовательских работ по темам: «Прогресс-1-5», выполненных по заказу. Миноборонпрома РФ, а также по темам: «Шум-АН», «Штабель-АН», «Штандарт» — по заказам Секции прикладных проблем Российской АН, а также в ОКР по Федеральной целевой программе «Национальная технологическая база» (2003-*-2006 г.г.).
-
ЗАО «Радиоэлектронных систем» (1997-2005 г.г.) - при проведении научно-исследовательских и экспериментальных работ по темам: «Виола», «Визирь», выполненных по заказам Департамента радиопромышленности Минэкономики России, а также по темам: «Переполох» и «Свияга» - по заказу Военно-научного комитета ВВС Министерства обороны РФ.
Достоверность полученных результатов обеспечена корректностью постановки задач, выбором адекватных методов их решения с использовани-
ем апробированного математического аппарата, наглядностью физических интерпретаций, сходимостью в предельных частных случаях к известным положениям традиционной теории. Основные теоретические выводы работы подтверждены результатами экспериментальных исследований и математического моделирования.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительные оценки на международных научно-технических конференциях: «XXVII Международная конференция «Теория и техника антенн»», Москва, 1994; Международная конференция «Современная радиолокация», Киев, 1994; Международная конференция «Радар-94», Париж (Франция), 1994; Международная конференция «Радар-95», Арлингтон (США), 1995; «25-ая Европейская конференция по микроволнам», Болонья (Италия), 1996; Международный симпозиум по прогрессу в электромагнитных исследованиях «PIERS-96», Бонн (Германия), 1996; Международная конференция «Crossbow-99», Сан-Диего (США), 1999; III Международная конференция по обработке сигналов и информации, Сингапур, 2001; 1-ый и 2-ой Международные радиоэлектронные форумы «Прикладная радиоэлектроника», Харьков, 2002, 2005; Международная конференция «Радар-2004», Тулуза (Франция), 2004 и др., а так же на всесоюзных н всероссийских научно-технических конференциях; Научно-технический семинар 3-го ГУ МРП СССР «РЛС с плоскими ФАР», Москва, 1982; XXXIV военно-техническая конференция ВИРТА им. Л.А. Говорова, Харьков, 1987; Юбилейные научно-технические конференции ЦНИИРЭС, Москва, 1996, 2001; Юбилейная научно-техническая конференция «Теория и техника передачи информации», Туапсе, 2004; XXX Военно-научная конференция 2 ЦНИИ МО РФ, Тверь, 2004 и др.
Публикации. По основным результатам проведенных исследований опубликовано более 45 печатных работ, выполнено более 40 разделов отчетов о НИР и выпущено учебное пособие, а также получено 7 авторских сви-
- 1U -
детельств на изобретения. Результаты диссертации использованы и реализованы на четырех предприятиях отечественной промышленности.
Основные положения, выносимые на защиту:
\. Предложенные количественные критерии широкополосности зондирующих сигналов в РЛС с ФАР определяют границу применимости традиционных теоретических подходов к их проектированию, основанных на возможности независимого выбора параметров сигналов и характеристик антенной системы при заданном секторе обзора.
-
Развитые теоретические положения сверхширокополосной радиолокации, основанные на использовании ортогональных пространственно-разнесенных сигналов в сочетании с апертурним синтезом на прием, снимают принципиальные ограничения на относительную широкополосность зондирующих сигналов, позволяют реализовать безынерционный обзор пространства в заданном секторе и определяют пути построения нового класса СШП РЛС.
-
Синтезированные методы пространственно-временной обработки оптимизируют энергетические показатели качества обнаружения точечных и протяженных целей на фоне собственных шумов приемника СШП РЛС, а в сочетании с предложенными методами защиты — на фоне пассивных и активных помех.
-
Введенные и исследованные многомерные функции неопределенности пространственно-временных (частотных) сигналов с нефактори-зуемыми информативными параметрами позволяют определять и исследовать потенциально достижимые точности измерений и разрешения всех координат цели в СШП РЛС.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут служить методической базой обоснования требований к СШП РЛС и выбора рациональных путей их достижения за счет совместной оптимизации зондирующих сигналов и многоканальной антенной системы.
Личный вклад автора. Автором лично сформулированы задачи, раз
работана методика их решения, получены, проанализированы и систематизи
рованы все основные результаты. '
Структура и объем диссертации.
