Содержание к диссертации
Введение 9
1. Широкополосность и информативность РЛС. Критерии широкопо лосности радиолокационных сигналов 31
1.1. Анализ состояния теории и практики СШП локации. (Обзор литературы) 31
1.2. Связь широкополосности зондирующих сигналов с информативностью РЛС на различных этапах радиолокационного наблюдения 45
1.3. Качественные критерии широкополосности сигналов 53
1.3.1. Критерий на основе адекватной модели сигнала 53
1.3.2. Критерий абсолютной ширины полосы сигнала 60
1.3.3. Критерий относительной ширины полосы сигнала 61
1.4. Количественные критерии широкополосности сигналов в РЛС с АР 63
1.4.1. Взаимное влияние зондирующих сигналов и АР 63
1.4.2. Обобщение принципа пространственно-частотной эквива лентности 66
1.4.3. Количественные оценки искажений и потерь 70
1.4.4. Классификация сигналов и ее физический смысл 73
1.5. Выводы 77
2. Безынерционный обзор пространства в СШП РЛС 82
2.1. Методы обзора пространства в РЛС с антенными решетками 82
2.2. Анализ возможностей применения традиционных способов обзора пространства в СШП РЛС 85
2.3. Обоснование способа обзора пространства на основе систем ортогональных ЗС и апертурного синтеза 91
2.4. Безынерционный обзор пространства при использовании про странственно-временных СШП сигналов 96
2.5. Безынерционный обзор пространства при использовании про странственно-частотных СШП сигналов 104
2.5.1. Эффекты сверхбыстрого сканирования луча и синтеза короткого импульса в режиме передачи 104
2.5.2. Безынерционный обзор пространства на основе сверхбыстрого сканирования луча на прием (томографический обзор) 114
2.5.3. Безынерционный обзор пространства на основе синтеза приемной АР 119
2.6. Выводы 122
3. Согласованная пространственно-временная обработка СШП сигна лов. Синтез и анализ 125
3.1. Простые и сложные СШП сигналы во временной области 125
3.2. Пространственно-временные фильтры для простых видеоим пульсных сигналов 135
3.2.1 .Модели сигналов и шумов, постановка задачи синтеза 135
3.2.2. Синтез согласованного пространственно-временного фильт ра на фоне белого гауссова шума 140
3.3. Структуры синтезированных ПВФ и их модификации 143
3.4. Характеристика неопределенности и неоднозначности 148
3.5. Пространственно-временные фильтры для сложных видеоим пульсных сигналов 154
3.5.1. Сложные видеоимпульсные сигналы на основе кода Баркера и М-последовательностей 155
3.5.2. Сложные видеоимпульсные сигналы на основе функций и по следовательностей Уолша 158
3.6. Сравнительный анализ безынерционного и последовательного методов обзора пространства в СШП РЛС с ВИС -^вб
3.7. Выводы J7Q
4. Согласованная пространственно-частотная обработка СШП сигна лов. Синтез и анализ 174
4.1 Простые и сложные СШП сигналы в частотной области j 74
4.2. Пространственно-частотные фильтры для многочастотных сигна лов на основе простых радиоимпульсов jgj
4.2.1. Модели сигналов и шумов, постановка задачи синтеза j g j
4.2.2. Синтез согласованного пространственно-частотного фильтра на фоне белого гауссова шума jgy
4.3. Структуры синтезированных ПЧФ и их модификации j 93
4.4. Характеристики неопределенности и неоднозначности 201
4.5. Пространственно-частотные фильтры для многочастотных сигналов на основе ЛЧМ радиоимпульсов 205
4.6. Выводы 210
5. Функции неопределенности пространственно-временных и про странственно-частотных СШП радиолокационных сигналов 213
5.1. Определения и свойства функций неопределенности 213
5.1.1. Функции неопределенности в теории радиолокации 21 з
5.1.2. Особенности функций неопределенности сигналов с неразде-ляющимися частотно-временными и пространственными параметрами 220
5.2. Многомерные функции неопределенности пространственно- временных СШП сигналов 223
5.2.1. Определения и свойства МФНПВС 223
5.2.2. Двумерное сечение МФН «дальность-угол» 228
5.2.3. Двумерное сечение МФН «скорость-угол» 235
5.2.4. Двумерное сечение МФН «дальность-скорость» 242
5.2.5. Характеристики МФН сложных ПВС 243
5.3. Многомерные функции неопределенности пространственно- частотных СШП сигналов 250
5.3.1. Определение и свойства МФН ПЧС 250
5.3.2. Двумерное сечение МФН «дальность-угол» 256
5.3.3. Двумерное сечение МФН «скорость-угол» 262
5.3.4. Двумерное сечение МФН «дальность-скорость» 265
5.3.5. Характеристики МФН сложных ПЧС 266
5.4. Выводы 279
6. Обнаружение целей в СШП РЛС на фоне помех 284
6.1. Дальность действия СШП РЛС 284
6.1.1. Обобщенное уравнение дальности и особенности определения его параметров в СШП радиолокации 284
6.1.2. Методика определения дальности действия СШП РЛС на основе обобщенного уравнения радиолокации 287
6.1.3. Методика определения дальности действия СШП РЛС на основе формуляров Блэйка 291
6.1.4. Зоны видимости СШП РЛС 297
6.2. Обнаружение протяженной цели на фоне шума приемника СШПРЛС 305
6.3. Особенности защиты СШП РЛС от пассивных помех ^\j
6.3.1. Относительная интенсивность пассивных помех в СШП РЛС. ^ 17
6.3.2. Оптимальная междупериодная обработка СШП сигналов на фоне пассивных помех 221
6.3.3. Показатели качества обнаружения на выходе междупериод ной обработки 229
6.4. Особенности защиты СШП РЛС от активных шумовых помех 333
6.5. Выводы 348
7. Результаты экспериментальных исследований и рекомендации по применению СШП РЛС с безынерционным обзором пространства 352
7.1. Создание и исследования экспериментального образца (ЭО) СШП РЛС с многочастотным сигналом 352
7.1.1. Цели экспериментальных исследований и построение ЭО 352
7.1.2. Основные параметры составных частей ЭО 357
7.1.3. Основные результаты натурных экспериментов 363
7.2. Экспериментальные исследования лабораторного макета с видеоимпульсным сигналом 368
7.3. Рекомендации по использованию результатов работы при создании СШПРЛС 373
7.4. Выводы 378
Заключение 380
Литература 382
Приложение: Расчеты дальности действия СШП РЛС на основе фор муляров Блэйка 403
Введение к работе
Постановка решаемой проблемы. Актуальность работы.
Современные и перспективные средства радиолокационного наблюдения воздушных объектов должны решать широкий круг задач, из которых к числу наиболее важных можно отнести [1,2,3]:
- своевременное обнаружение воздушных объектов (ВО), в том числе малозаметных, малоскоростных и низколетящих;
- устойчивое сопровождение плотных групп маневрирующих целей и определение их количественного состава;
- преодоление факторов, снижающих радиозаметность ВО за счет применения технологий STELTH;
- распознавание классов и типов ВО с требуемым качеством на рубежах, близких к рубежам обнаружения.
Сложность решения этих, а также целого ряда других задач существенно увеличивается из-за воздействия на РЛС помех различного физического происхождения. Существующие импульсные РЛС с узкополосным зондирующими сигналами (ЗС) и круговым механическим обзором пространства не способны качественно решать указанные задачи в быстро изменяющейся сигнально-помеховой обстановке. Во многом это связано с их недостаточной разрешающей способностью по дальности и угловым координатам и низким темпом обновления информации [4-7].
В этих условиях перспективным направлением совершенствования РЛС является расширение спектра сигналов, вплоть до перехода к сверхширокополосным (СШП) сигналами, в сочетании с использованием пространственно-многоканальных антенных систем - антенных решеток (АР). Такое количественное наращивание информационных возможностей создает предпосылки для качественного роста показателей РЛС. Так, расширение полосы ЗС до десятков-сотен МГц позволяет разрешать не только плотные группы ВО, но и блестящие точки на их поверхности. При этом общепринятое утверждение о высокой информативности СШП РЛС следует понимать не только в смысле увеличения количества лоцируемых ячеек пространства [8-11], но и в связи с принципиальной возможностью извлекать из отклика объекта на СШП сигнал информацию о его геометрических размерах и форме [12-14].
Помимо повышения информативности по координате «дальность» от применения СШП ЗС ожидают [15-19]:
- эффективного решения задач распознавания классов и типов ВО за счет получения их дальностных портретов и выделения собственных резонансных частот;
- уменьшения влияния интерференции при рассеянии ВО электромагнитных волн и их переотражений от подстилающей поверхности;
- повышения защищенности РЛС от воздействия пассивных помех за счет уменьшения импульсного объема;
- повышения защищенности РЛС от воздействия активных заградительных помех за счет возможности их режекции без заметных потерь энергии полезного сигнала;
- улучшения радиозаметности лоцируемых ВО за счет попадания части спектра СШП сигнала в область резонансов их конструкций, а также снижения эффективности радиопоглащающих покрытий, имеющих конечный частотный диапазон действия;
- повышения скрытности работы СШП радиолокатора из-за уменьшения удельной спектральной плотности сигнала в полосе разведприемника, и как следствие, практической невозможности постановки имитирующих и ответных помех.
Еще в большей степени достоинства СШП ЗС должны проявиться, если РЛС обладает возможностью гибкого электронного или безынерционного обзора пространства, однозначно определяющего применение АР. Под безынерционным обзором пространства здесь и в дальнейшем будем понимать возможность обзора всего заданного углового сектора пространства за время, не превышающее длительности ЗС, иначе говоря, обзор без использования элементов управления в каналах АР. В этом случае в СШП РЛС также повышаются характеристики разрешения и точности измерения пространственных координат целей, обеспечиваются условия накопления большого числа импульсов и многофункциональности работы [20,21,22].
Теоретически прогнозируемые достоинства СШП РЛС вызвали повышенный интерес российских и зарубежных специалистов. Пожалуй, никакому другому направлению современной радиолокации в последние годы не уделено столько внимания в литературе, на научных конференциях и симпозиумах, как теории и технике СШП локации. В процессе проведенных исследований [10, 23-29] выявлены специфические особенности генерации и усиления СШП сигналов, их излучения и рассеяния на телах сложной формы. Созданы первые экспериментальные образцы СШП РЛС с механическим вращением антенны, работающие на высоких несущих частотах 10 ГГц, на которых проведены исследования ЗС с эффективной шириной спектра 60 -100 МГц. Результаты экспериментов, в частности подтвердили возможности повышения на их основе разрешающей способности по дальности и защищенности РЛС от пассивных помех [30,31].
Все эти исследования также способствовали внедрению СШП сигналов в целый ряд смежных с радиолокацией областей, таких как связь, зондирование сред, медицина, системы неразрушающего контроля и т.п. [32-35].
Существенно в меньшей степени к настоящему времени проработаны принципы построения РЛС, достаточно полно реализующие достоинства СШП ЗС. В большинстве работ предполагалось, что РЛС с такими сигналами будут иметь традиционные основу и технические решения, что не может считаться очевидным.
Требования к РЛС отнюдь не исчерпываются повышением точности и разрешающей способности по дальности, являющейся лишь одной координа той ВО. Практически отсутствуют рекомендации по организации обзора пространства в СШП РЛС и, как следствие, требования к их пространственным характеристикам, определяющие качество разрешения и измерения угловых координат.
Традиционный круговой обзор пространства обладает известными недостатками, связанными с низким темпом обновления информации, сложностью сочетания режимов обнаружения и сопровождения и т.д. [36, 37]. Эти недостатки усугубляются естественными ограничениями числа накапливаемых импульсов, которые в условиях СШП ЗС имеют малую длительность и при однозначном измерении дальности - малую среднюю мощность (при реально конечной импульсной).
Известными способами преодоления недостатков кругового механического обзора является использование последовательного электронного сканирования луча или параллельного, безынерционного обзора пространства, которые обеспечиваются управляемыми по фазе или многолучевыми АР. Сочетание последовательного обзора с применением СШП ЗС требует сложно реализуемого прецизионного временного управления задержками сигналов в каналах АР, как в режиме передачи, так и на прием [38]. Кроме того, здесь не исключен эффект «импульсного голода», вследствие которого последовательный обзор практически не используется и в традиционных (узкополосных) РЛС с широким сектором обзора, работающих без целеуказания [7, 39].
Параллельный, безынерционный обзор пространства, не требует управления параметрами сигналов в каналах АР и снимает ограничение на число накапливаемых импульсов, которое определяется только скоростью и размерами ВО. Он базируется на применении расширенной диаграммы направленности (ДН) на передачу и веера узких лучей на прием, которые формируются многолучевыми матрицами [40, 41]. Эти матрицы синтезируются на несущей монохроматической частоте /0 при условии // = «1, (Bl) /о где A/ - ширина спектра ЗС.
Неравенство (В 1) является основополагающим в теории антенн и вследствие этого вопрос об организации безынерционного обзора при использовании СШП ЗС остается открытым.
Отметим, что и в базовой теории радиолокации неравенство (В 1) должно удовлетворяться. Следствиями этого теоретического допущения являются возможности:
- синтезировать антенные системы, в том числе многолучевые диа-граммообразующие матрицы АР, для центральной частоты спектра сигнала, пренебрегая отличием от нуля его ширины;
- синтезировать устройства внутриимпульсной частотно-временной обработки без учета влияния антенны на структуру принятого сигнала в полосе А/, вне зависимости от значения /0;
- возложить функции разрешения и измерения угловых координат ВО на антенную систему, а функции разрешения и измерения дальности и скорости - на частотно-временную обработку;
- факторизовать многомерную функцию неопределенности радиолокационных сигналов на две двумерные: пространственную - диаграмму направленности (ДН) и частотно-временную - функцию Вудворта.
Указанные возможности раздельного рассмотрения АР и ЗС заложены и в методы расчета основных технических характеристик традиционных РЛС, в частности в обобщенное уравнение дальности.
Высокочастотная часть радиолокационного канала: передатчик - передающая антенна - цель - приемная антенна характеризуются интегральными энергетическими параметрами: импульсной мощности, КНД, ЭПР и эффективной площадью (КНД) соответственно, определенными только для одной частоты /0. В свою очередь, при определении показателей качества радиоло кационного наблюдения на выходе устройств обработки эхо-сигналов, например, вычислении коэффициента различимости, от значения несущей частоты /0 можно абстрагироваться.
Очевидно, что по мере роста А/ при фиксированном значении /0 и ослабления неравенства (В 1), вышеназванные допущения приводят к потерям точности теории при определении показателей качества РЛС. Более того, применительно к РЛС с АР, которые в общем случае в силу своих дисперсионных свойств представляют собой частотные фильтры, с параметрами зависящими от пространственных координат [42], условие справедливости этих допущений трансформируется к виду [43,44]
s = J LSine0«l, (В 2) где А0О 5 - ширина луча АР по уровню половинной мощности на частоте /0, (в градусах) при его нормальной ориентации; в0 - угол отклонения луча от направления нормали к АР; ц% = 100 у кг - относительная ширина полосы ЗС, (в %).
Неравенство (В 2) отражает наличие пространственно-частотной (временной) корреляции сигнала, обусловленное взаимным влиянием АР на частотную (временную) структуру принятого сигнала, а самого сигнала - на направленные свойства АР.
Из (В 2) следует, что понятия «узкополосный» (УП), «широкополосный» (ШП) и «сверхширокополосный» (СШП) сигналы, широко используемые в литературе, нельзя связывать только с шириной их абсолютной (А/) или относительной (//) полосы. В РЛС с АР эти понятия не могут быть определены без учета параметров АР: ширины луча (А0О5) - связанной с размерами апертуры, и сектора обзора (#0). Так, для АР с А0О5 =1° при 0О =45° не является узкополосным в смысле (В 2) даже сигнал с ц = 1%, так как обобщен ный параметр є = 1. Этот же сигнал можно считать узкополосным для АР с Д0О5=5° и 6 0 = 30° ( = 0,12).
Как показано в [45, 46], нарушение неравенства (В 2) до определенных пределов может быть учтено введением поправок в методы расчета характеристик РЛС с АР при сохранении базовых принципов их построения. Такие РЛС естественно отнести к промежуточному классу широкополосных.
Превышение параметром є определенных пределов, может привести к тому, что вытекающие из (В 1) и (В 2) следствия, не просто теряют необходимую точность, устраняемую введением корректирующих поправок, но становятся принципиально несостоятельными, т.е. не отражающими физической сущности происходящих процессов.
В связи с этим, наряду с уточнением, требуется и пересмотр основополагающих принципов построения и методов расчета РЛС. Необходимость поиска новых подходов диктуется тем, что здесь требуется учитывать не только взаимное влияние АР и сигнала, но и тот факт, что АР может непосредственно участвовать в формировании ЗС и обработке эхо-сигналов, а сам СШП сигнал - определять пространственные характеристики РЛС. Относя именно такие РЛС к классу сверхширокополосных, следует признать, что в известной литературе подходы к их теории и практике к настоящему времени 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 актуальность 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;
- разработать рекомендации по применению СШП РЛС предлагаемого построения для решения гражданских и военных задач.
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 широкополосности 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 дальностно-угло-скоростных каналов приема на выходе одиночной приемной антенны;
- введены и исследованы нефакторизуемые многомерные функции неопределенности и их главные сечения, определяющие потенциальные точно сти 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:
1. Всероссийский НИИ радиотехники (1972-1993г.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.
2. 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.).
3. 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.
Акты о реализации прилагаются.
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 и 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 (в том числе в журналах «Антенны», «Радиотехника», «Радиотехника и электроника»), выполнено более 40 разделов отчетов о НИР и выпущено учебное пособие, а также получено 7 авторских свидетельств на изобретения. Результаты диссертации использованы и реализованы на четырех предприятиях отечественной промышленности.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. 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.
2. Развитые теоретические положения сверхширокополосной радиолокации, основанные на использовании ортогональных пространственно-разнесенных сигналов в сочетании с апертурным 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, семи разделов, заключения, списка литературы и Приложения. Она изложена на 402 страницах машинописного текста, включает 102 рисунка, 10 таблиц и список литературы из 231 наименования.
В первом разделе по материалам отечественных и зарубежных источников проводится обзор состояния теории и техники СШП радиолокации по следующим направлениям: специфические особенности СШП радиолокации и её информационные возможности, известные принципы построения формирователей и усилителей мощности СШП сигналов, принципы построения антенных систем, приемников, алгоритмов и устройств обработки СШП эхо-сигналов. Систематизируются известные отечественные и зарубежные радиолокационные средства наблюдения ВО, использующие сигналы с расширенной частотной полосой.
Рассматриваются вопросы связи понятий «широкополосность» и «информативность» в радиолокационных системах. Для различных этапов радиолокационного наблюдения ВО: обнаружения, разрешения, измерения координат и классификации конкретизируется общепринятое утверждение о повышении информативности РЛС за счет расширения спектров ЗС.
Показывается ограниченность и частных характер известных из литературы способов классификации ЗС по степени их широкополосности применительно к РЛС с АР. В связи с этим, для таких РЛС проводится обобщение принципа «пространственно-частотной эквивалентности» (ПЧЭ) и обосновываются критерии и предлагается классификация ЗС, связанная с количественным определением степени их пространственно-частотной корреляции. Предлагаются количественные границы определений «узкополосный», «широкополосный» и «сверхширокополосный» сигнал, зависящие не только от ширины полосы ЗС, но и от совокупности параметров АР, включая пространственный сектор обзора. Показывается, что для введенного определения «сверхширокополосный сигнал» многие представления и определения традиционной радиолокации теряют физический смысл. Например, пространственная (ДН) и частотно-временная (функция Вудворта) функции неопределенности не факторизуются, а улучшение разрешающей способности по угловым координатам и дальности за счет соответствующего увеличения апертуры и расширения полосы ЗС в РЛС с АР традиционного построения невоз можно. Показывается, что преодоление этого ограничения требует разработки принципиально новых подходов к теории и практике СШП радиолокации.
Во втором разделе обосновывается адекватный для СШП РЛС способ обзора пространства. Показываются теоретические и практические ограничения традиционных способов обзора: последовательного и параллельного, с точки зрения их использования в СШП РЛС. Предлагается способ обзора пространства, основанный на применении систем ортогональных и пространственно-временных (ПВС) или «пространственно-частотных» (ПЧС) СШП сигналов. Разрабатывается структура приемо-передающей антенной системы (АС), состоящей из линейной передающей АР и слабонаправленной приемной антенны (СНА). Важнейшей особенностью выбора характеристик такой АС является необходимость учета параметров ЗС и обеспечение условия их ортогональности.
Показывается, что на выходе приемной СНА для оптимального приема эхо-сигналов, необходимо реализовать сочетание обработок: согласованную фильтрацию и синтез апертуры приемной АР в сочетании с многолучевым диаграммообразованием.
В зависимости от области, в которой обеспечивается ортогональность ЗС, временной или частотной, СШП РЛС классифицируются на пространственно-временные (с использованием ВИС) и пространственно-частотные (с использованием многочастотных радиоимпульсных (МЧ РИ) сигналов) радиолокационные системы (ПВРС и ПЧРС соответственно), для которых анализируются особенности безынерционного обзора пространства.
Показывается, что в ПВРС ортогональность сигналов, возбуждающих излучатели передающей АР достигается различием моментов их излучения, что приводит к пачечной структуре облучающих цель ПВС с периодом, зависящим от угловых координат ВО. Определяется, каким образом должны быть выбраны периоды повторения ВИС и шаг передающей АР для сохранения ортогональности ПВС в заданном секторе обзора.
В отличие от ПВРС в ПЧРС каналы передающей АР одномоментно возбуждаются МЧ узкополосными РИ с неперекрывающимися спектрами. Сверхширокополосность пространственно-временного поля у цели здесь достигается за счет эффекта сложения компонент МЧ сигнала в пространстве, который в литературе интерпретируется как эффект синтеза сверхкороткого импульса (СКИ). Отмечается, что при определенных соотношениях между длительностью РИ и параметрами передающей АР, синфазное сложение РИ с различным частотным заполнением происходит в различных угловых направлениях в различные моменты времени. Доказывается, что этот эффект, известный из литературы как эффект сверхбыстрого сканирования луча (СБСЛ), в частном случае является наглядной интерпретацией безынерционного обзора пространства.
Наряду с простыми ВИС и РИ в каналах передающей АР, для ПВРС и ПЧРС определяется возможность использования сложных ортогональных сигналов. Устанавливается их соответствующая аналогия со сложными фазо-кодо-манипулированными и частотно-модулированными сигналами в традиционной радиолокации.
В третьем разделе решаются задачи оптимизации приема ПВС при использовании в СШП РЛС систем ортогональных простых и сложных ВИС. Оптимизация проводится по общепринятому критерию отношения правдоподобия для эхо-сигналов точечных целей на фоне гауссова шума тракта приемной СНА. На основе принятых моделей помех и ожидаемого сигнала решением интегрально-матричного уравнения во временной области определяются компоненты вектора согласованной пространственно-временной обработки и достаточная предпороговая статистика. Обосновывается многоканальная структура оптимального пространственно-временного фильтра (ПВФ), каналы которого в каждом элементе дальности согласованы с ожидаемыми значениями угловых координат и скоростей ВО. Анализируются модификации ПВФ, связанные с изменением порядка выполнения операций обработки. Показывается, что полученные структуры системы обработки порождаются спецификой СНІП ПВС, для которых единым информативным параметром эхо-сигнала для всех координат ВО является временная задержка. Определяются связанные с этим фактором условия возникновения неопределенности и неоднозначности измерений информативных параметров сигналов и предлагаются методы их устранения.
На основе анализа недостатков простых ВИС, связанных с их низким энергетическим потенциалом, обосновывается целесообразность перехода к сложным ортогональным ВИС, представляющих собой кодированные по полярности последовательности простых ВИС.
Анализируются различные способы кодирования и обосновываются преимущества использования ортогональных последовательностей Уолша (ПУ). Показывается, каким образом учитывается специфика этих сигналов при модификации входе ПВФ, синтезированных для простых ВИС. Результаты раздела определяют принципы построения и характеристики приемной части ПВРС и алгоритмы обработки ПВС, включая синтез приемной апертуры и формирование пространственных каналов приема для безынерционного обзора пространства.
В четвертом разделе решаются задачи оптимизации приема ПЧС при использовании в СШП РЛС систем ортогональных простых и сложных РИ. Оптимизация проводится по общепринятому критерию отношения правдоподобия для эхо-сигналов точечных целей на фоне гауссова шума тракта приемной СНА. Как и для ПВФ, принятые модели помех и ожидаемого сигнала позволяют из интегрально-матричного уравнения получить вектор согласованной обработки (в частотной области) и достаточную предпороговую статистику. Обосновывается многоканальная структура оптимального пространственно-частотного фильтра (ПЧФ), каналы которого в общем случае настроены на ожидаемые значения скорости ВО, внутри которых формируются дальностно-угловые каналы приема. Эти каналы согласовываются с ожидаемыми пространственными направлениями на ВО и ожидаемыми значениями дальности внутри временного строба, равного по длительности корреляционной функции парциального РИ. Показывается, что элементы разрешения по дальности в каждом угловом направлении соответствуют полной ширине спектра МЧ сигнала.
Доказывается, что такая структура системы обработки порождается спецификой СШП ПЧС, для которых единым информативным параметром эхо-сигнала для всех координат ВО является фаза. Это порождает условия возникновения неопределенности и неоднозначности измерений, способы устранения которых предлагаются.
Показывается возможность существенно упрощения структуры ПЧФ с пренебрежимо малыми потерями для РЛС длинноволнового и коротковолнового диапазонов волн.
Анализируются особенности обработки при использовании в качестве парциальных сигналов ЛЧМ РИ, которые связаны с проявлением специфических эффектов, например, зависимостью доплеровского сдвига частоты от угловых координат ВО, и определяются соответствующие модификации ПЧФ.
Результаты раздела определяют принципы построения и характеристики приемной части ПЧРС, а также алгоритмы обработки ПЧС, включая синтез приемной апертуры и формирование пространственных каналов приема для безынерционного обзора пространства.
В пятом разделе определяются меры разрешения и точностные характеристики ПВРС и ПЧРС с безынерционным обзором пространства по совокупности координат ВО. Эта задача решается введением многомерных (не-факторизуемых) функций неопределенности в координатах «дальность-скорость-угол», соответствующих ПВС и ПЧС с неразделяющимися пространственными и частотно-временными информационными параметрами.
Исследуются свойства и характеристики МФН и их основных двумерных сечений: «дальность-угол», «скорость-угол» и «дальность-скорость» на выходе устройств обработки, синтезированных в разделах 3, 4. Для каждого их этих сечений определяются формы и ориентации эллипсов неопределенности и вытекающие их этого постоянные разрешения по каждому информативному параметру, а также степень корреляции потенциальных ошибок измерений. Определяются структуры информативных матриц Фишера и их обратных - матриц точности, задающие верхние границы дисперсий ошибок (границы Рао-Крамера) раздельных и совместных измерений соответствующих информационных параметров сигналов. Обосновываются методы устранения неопределенности измерений в сечениях «скорость-угол» и «дальность-угол» для ПВРС и ПЧРС соответственно.
При условии отсутствия рассогласования по двум информативным параметрам определяются основные одномерные сечения МФН и их структуры. В частности, одномерное сечение, которое можно получить при отсутствии рассогласования по дальности и скорости, может интерпретироваться как «диаграмму направленности» ПВРС и ПЧРС по СШП сигналу.
Показывается связь свойств и характеристик МФН с совокупностью параметров передающей АР и ЗС, которая иллюстрируется результатами математического моделирования структур двумерных и одномерных сечений МФН Рассмотрение проводится для простых и сложных сигналов, используемых в качестве парциальных в каналах передающих АР.
В шестом разделе основное внимание уделяется характеристикам обнаружения СШП РЛС в беспомеховых ситуациях и при воздействии пассивных и активных помех. Обсуждаются ограничения, при которых получено уравнение дальности действия УП РЛС. При снятии принятых допущений модифицируются уравнения дальности традиционной радиолокации, и обосновывается методика определения параметров, входящих в эти уравнения с учетом специфики применения СШП сигналов. Особенностью предлагаемой методики является отказ от привычных интегральных энергетических параметров ЗС, АР и целей и представление радиолокационного канала в виде совокупности частотно-зависимых элементов (эквивалентных фильтров). Методика распространяется как на обобщенное уравнение дальности, так и конкретизируется для формуляра Блэйка путем введения соответствующих поправок. Для СШП РЛС также оцениваются зоны видимости с учетом влияния подстилающих поверхностей и рассматривается принципиальная возможность измерения угла места на основе временных соотношений между прямым и переотраженным сигналами.
В зависимости от степени априорной неопределенности о характеристиках целей, которые в СШП локации являются протяженными, синтезируются оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы их обнаружения. Для получения показателей качества этих обнаружителей оцениваются потери порогового сигнала, которые возрастают по мере уменьшения информации о лоцируемом объекте (размере, количестве «блестящих точек», их расположении и т.д.), представляются структурные схемы синтезированных обнаружителей и оцениваются возможности их реализации.
Рассматриваются особенности междупериодной обработки (МПО) СШП сигналов на фоне пассивных помех. Определяется их относительная интенсивность (по сравнению с собственным шумом приемника), а также отмечается, что специфической особенностью СШП локации является возможность «вылета» цели из импульсного объема за период зондирования. В этих условиях синтезируются устройства МПО СШП сигналов на выходе пространственно-временных и пространственно-частотных фильтров, а также определяются скоростные характеристики СШП РЛС.
Для защиты СШП РЛС от воздействия активных помех предлагается метод с использованием дополнительного пространственного канала приема, идентичного основному каналу СНА. Методом максимального правдоподобия определяется вектор оптимальной пространственной обработки на фоне стационарной шумовой помехи, приходящей с неизвестного углового направления. Оценивается ухудшение характеристик обнаружения (порогового сигнала) для случаев соизмеримости полосы полезного сигнала и помехи, и когда помеха имеет более узкую полосу, чем сигнал. Результаты обобщаются на случай воздействия произвольного числа помех.
Таким образом, в шестом разделе оцениваются показатели качества обнаружения СШП РЛС не только на фоне собственного шума приемника, но и в условиях воздействия активных и пассивных помех, а также определяются возможные пути их помехозащиты.
В седьмом разделе основное внимание уделяется результатам натурных исследований экспериментального образца(ЭО) СШП РЛС (ПЧРС) метрового диапазона волн с МЧ сигналом (А/«80МП/), реализующего разработанные в диссертации принципы построения. Описываются составные части макета: 5-ти элементная передающая АР, цифровые формирователи и мощные усилители ЗС, приемное устройство, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), система обработки на основе предложенных алгоритмов, а также их характеристики.
Показывается высокая степень совпадения результатов полигонных испытаний в части разрешающей способности по дальности и угловым координатам с теоретически предсказанными для данного ЭО. Кроме того, экспериментально подтверждается вытекающий из развитой в работе теории эффект СБСЛ, позволяющий формировать СШП сигналы в широком пространственном секторе при использовании узкополосных ЗС в каналах АР.
Для СШП ПВРС описываются составные части лабораторного макета на котором подтверждаются основные принципы генерации, излучения и приема ВИС, а также возможности получения дальностных портретов ВО. Здесь метод экспериментальных исследований основывается на масштабном физическом моделировании: пропорциональном уменьшении длительности ЗС и геометрических размеров лоцируемого объекта. Показывается, что соз дание ПВРС с ВИС для радиолокационного наблюдения ВО требует дальнейшего совершенствования элементной базы, в первую очередь в области создания высокостабильных мощных генераторных устройств.
В заключении раздела определяются роль и место СШП РЛС военного и гражданского назначения для обнаружения и классификации ВО. На основе проведенных исследований, разработаны рекомендации по применению различных типов СШП РЛС для решения конкретных задач радиолокационного наблюдения.
