СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБЗОРА ЗОНЫ ПРОСТРАНСТВА (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR RADAR SCANNING ZONES IN SPACE (VERSIONS)

Предлагаемые технические решения относятся к области радиолокации и могут быть использованы в обзорных радиолокационных станциях (РЛС) с игольчатым лучом.
Известен последовательный способ радиолокационного обзора зоны пространства за счет кадрового сканирования игольчатого луча (Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д.Ширмана. М.: Сов. радио, 1970, с.242, п.3, рис.5.21 в). Преимущество этого способа состоит в высокой концентрации энергии, высокой точности измерения угловых координат и в высокой разрешающей способности по угловым координатам, что определяется малыми размерами луча.
Количество разрешаемых угловых направлений, которые просматривает при этом обзорная РЛС, определяется в виде:
где ΔВ, ΔЕ - размеры просматриваемой зоны пространства по азимуту и углу места соответственно;
Δβ, Δε - размер луча по азимуту и по углу места соответственно. Если период обзора зоны пространства равен Т, а частота излучения зондирующих сигналов F, то среднее количество зондирований, приходящееся на одно угловое направление, равно:
з
з
Для современной обзорной РЛС S-диапазона входящие в (2) параметры могут иметь следующие значения: F=400 Гц, ΔВ=360°, ΔЕ=60-80°, Δβ, Δε≤2°, Т≤10 с - при работе по аэродинамическим целям и Т≤5 с - при работе по высокоскоростным целям, например, по баллистическим. При этом из (2) следует, что на зондирование одного углового направления из М≥5000 приходится менее одного сигнала: n≤0.75 и n≤0.375. Положение еще более обостряется, когда появляются обнаруженные цели, поскольку для их сопровождения необходимо затрачивать каждый период обзора, число зондирующих сигналов существенно больше 1, и на обзор зоны пространства останется еще меньше энергии.
Таким образом, в современных обзорных РЛС S-диапазона с игольчатым лучом существует проблема «импульсного голода», когда РЛС не может зондировать каждый период обзора, каждое угловое направление хотя бы одним зондирующим сигналом.
Известны способы обзора пространства, основанные на просмотре частей зоны пространства широким или узким лучами.
i
i
i
з
Так, известен способ радиолокационного обзора зоны пространства, основанный на облучении i-й части зоны, широким лучом, охватывающим n>1 угловых направлений, и приеме сигналов n парциальными каналами с игольчатыми диаграммами направленности антенны (там же с.241, п.1; с.242, рис.5.21а). При этом для сохранения количества энергии, излучаемой в одно угловое направление, необходимо затрачивать на просмотр части зоны в n раз больше зондирующих сигналов, чем в способе с использованием игольчатого луча (там же, с.242, 2-й абз. снизу). Поэтому при использовании этого способа увеличивают период обзора Т настолько, чтобы получить n≥1.
i
з
Известен способ радиолокационного обзора зоны пространства, основанный на облучении i-й части зоны, широким лучом, охватывающим n>1 угловых направлений, и приеме сигналов таким же широким лучом (там же, с.242, п.2; рис.5.21 б). Недостаток этого способа состоит в том же, что и недостаток предыдущего способа, поэтому при использовании этого способа, чтобы получить n≥1, также увеличивают период обзора Т.
i
Таким образом, в обоих способах уменьшение концентрации энергии в угловом направлении, возникающее из-за расширения луча в n>1 раз, компенсируют увеличением числа зондирующих сигналов, излучаемых широким лучом, поэтому недостаток рассмотренных способов состоит в том, что они не могут быть использованы при высоких темпах обзора, когда число зондирующих сигналов меньше, чем число угловых направлений в зоне обзора, т.е. в условиях «импульсного голода». В условиях, в которых недопустимо снижение темпа обзора, например, при обзоре частей зоны, где возможно появление высокоскоростных целей, эти способы не могут быть использованы.
Известен способ обнаружения цели с помощью пассивных многопозиционных систем, использующих излучение цели или облучение ее за счет энергии внешних радиоэлектронных средств (РЭС) (Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника, 1978, т.4, с.213-214). Недостаток способа состоит в том, что для определения дальности до цели нужно иметь несколько разнесенных в пространстве позиций.
2
2
Известен способ радиолокационного обзора, основанный на использовании вторичной РЛС (РЛС). РЛС - запросчик вместе с бортовым приемоответчиком входит в систему вторичной радиолокации (Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. М.: Сов. радио, 1979, т.3, с.476-478), примером которой может служить система радиолокационного опознавания (Радиоэлектроника в 1979 г., НИИЭИР, IV, с.35). В таких системах наземная РЛС2, излучает запросный сигнал, бортовой приемоответчик после получения этого сигнала излучает ответный сигнал, по результатам приема которого определяют дальность и азимут цели. При определении дальности учитывают известную величину задержки в аппаратуре приемоответчика. РЛСз могут работать автономно, без первичных РЛС (работающих по отраженному сигналу), например, в системах УВД (Радиоэлектроника, с.IV-36, 2-й столб., 2-й абз.). В этом случае с их помощью обнаруживают и сопровождают цели, т.е. без привлечения первичной РЛС.
Преимущество этого способа состоит в том, что требуются значительно меньшие, чем при использовании РЛС затраты энергии на обнаружение и сопровождение целей.
Недостаток способа состоит в том, что он может быть использован только по целям с включенным ответчиком и только в системах активного ответа с известными параметрами аппаратуры. Так, при неизвестной величине задержки ответного сигнала дальность с требуемой точностью можно определить лишь методом триангуляции (там же, с.IV-44, 1-й столб., 3-й абз.).
Наиболее близкий способ обзора пространства основан на установке приоритетной части зоны обслуживания с заданной дальностью обнаружения цели. Приоритетную часть зоны просматривают с требуемым темпом, а в буферной (неприоритетной) части зоны дальность до внешней границы рубежа обнаружения цели уменьшают до величины, обеспечивающей баланс отводимой энергии и затрачиваемой (Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации, М.: Радио и связь, 1986, с.208, нижний абз. - с 209). Снижение дальности обнаружения цели позволяет уменьшить энергетические затраты и время на просмотр буферной части зоны.
Недостаток наиболее близкого способа заключается в том, что проблема «импульсного голода» решается за счет сокращения дальности обнаружения цели в буферной части зоны.
Заявляемое изобретение направлено на устранение указанного недостатка.
Решаемой задачей (техническим результатом), таким образом, является устранение проблемы «импульсного голода» в обзорных РЛС при сохранении дальности обнаружения цели во всех частях зоны обзора.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе радиолокационного обзора зоны пространства, основанном на установке приоритетной части зоны обслуживания, согласно изобретению выделяют в качестве приоритетной часть зоны, в которой возможно появление высокоскоростных целей, и затрачивают энергию на ее обзор, достаточную для обнаружения целей с заданной вероятностью, а обзор других частей зоны проводят с пропусками в зондировании отдельных угловых направлений.
Указанный технический результат достигается также тем, что:
- пропускают n≥1 очередных зондирований углового направления, в котором при предшествующем просмотре не был обнаружен сигнал, превышающий уровень, устанавливаемый ниже порога обнаружения во всех элементах разрешения по дальности;
- пропускают n≥1 очередных зондирований углового направления, в котором при предшествующем просмотре не был обнаружен сигнал, превышающий уровень, устанавливаемый ниже порога обнаружения на участках дальности, расположенных дальше заданного рубежа обнаружения цели;
- уровень устанавливают так, чтобы число угловых направлений, оставшихся для зондирования, соответствовало количеству энергии, оставшейся после просмотра приоритетной части зоны.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе радиолокационного обзора зоны пространства, основанном на установке приоритетной части зоны обслуживания, согласно изобретению выделяют в качестве приоритетной часть зоны, в которой возможно появление высокоскоростных целей, и затрачивают энергию на ее обзор, достаточную для обнаружения целей с заданной вероятностью, а обзор других частей зоны проводят с пониженной концентрацией энергии и пониженным порогом обнаружения, а в угловые направления, в которых при этом обнаружен сигнал, увеличивают концентрацию энергии и повышают порог обнаружения.
Указанный технический результат достигается также тем, что:
i
i
i
- при обзоре других частей зоны облучают i-ю ее часть широким лучом, охватывающим n>1 угловых направлений, и принимают сигналы парциальными каналами с игольчатыми диаграммами направленности антенны, при обнаружении с р≥1 из n угловых направлений сигнала, просматривают только эти р направлений, последовательно облучая каждое из них с уменьшенной в n раз шириной луча;
i
- при обзоре других частей зоны облучают i-ю ее часть и принимают сигналы широким лучом, охватывающим n>1 угловых направлений, при обнаружении сигнала, уменьшают ширину луча и выполняют последовательный просмотр этих угловых направлений.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе радиолокационного обзора зоны пространства, основанном на установке приоритетной части зоны обслуживания, согласно изобретению выделяют в качестве приоритетной часть зоны, в которой возможно появление высокоскоростных целей, и затрачивают энергию на ее обзор, достаточную для обнаружения целей с заданной вероятностью, а обзор других частей зоны проводят в пассивном режиме в частотном диапазоне внешних РЭС и в случае обнаружения в просматриваемом угловом направлении излучений внешних РЭС осуществляют очередное его зондирование.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе радиолокационного обзора зоны пространства, основанном на установке приоритетной части зоны обслуживания, согласно изобретению выделяют в качестве приоритетной часть зоны, в которой возможно появление высокоскоростных целей, и затрачивают энергию на ее обзор, достаточную для обнаружения целей с заданной вероятностью, а просмотр других частей зоны проводят с использованием систем активного ответа одной или нескольких стран и в случае обнаружения в просматриваемом угловом направлении ответного сигнала осуществляют очередное его зондирование РЛС.
Суть заявленных способов состоит в следующем.
Приоритетную часть зоны, в которой возможно появление высокоскоростных целей, просматривают с требуемым темпом и требуемыми затратами энергии, а остальную часть - буферную - с использованием лишь оставшейся части энергии.
Поскольку число направлений буферной части зоны больше, чем число оставшихся зондирующих сигналов, то не представляется возможным просмотреть каждое ее угловое направление игольчатым лучом, т.е. проблема «импульсного голода» перемещается в буферную часть зоны. Заявляемые способы основаны на том, что угловые направления буферной части зоны, предположительно не содержащие целей, т.е. «пустые», просматривают с пропусками в отдельных периодах, либо просматривают с пониженной концентрацией энергии (например, широким лучом) и при пониженном пороге обнаружения, что увеличивает вероятность ложной тревоги, но сохраняет дальность обнаружения цели.
Допустимость этих мер обосновывается следующим.
Современные обзорные РЛС S-диапазона используются в условиях, когда в контролируемом пространстве может одновременно находиться лишь несколько сотен целей. Это означает, что для рассмотренного выше примера из М≥5000 разрешаемых угловых направлений лишь в малой их доле содержатся цели, а остальные направления являются «пустыми» (т.е. не содержащими целей). Это обстоятельство положено в основу заявляемых способов для решения проблемы «импульсного голода» в буферной части зоны.
-6
При обнаружении сигнала по критерию Неймана-Пирсона порог обнаружения устанавливают так, чтобы вероятность превышения его шумом (вероятность ложной тревоги) была очень малой (10 и менее), поскольку ложное обнаружение цели приводит не только к большим затратам средств, но и к отвлечению боевых средств от реальных целей.
В заявляемых способах ошибочное принятие «пустых» угловых направлений в буферной части зоны за направления, содержащих цель, приведет лишь к напрасному зондированию этих направлений игольчатым лучом. Причем если вероятность превышения шумом установленного уровня для определения «пустых» направления равна Р, а общее число угловых направлений в буферной части зоны М, то в среднем за один период обзора Р-М «пустых» направлений будет просмотрено игольчатым лучом. И это, например, при Р=0.1 и М≈5000 приведет к напрасному расходу 500 зондирующих сигналов, что составит небольшую долю от общего их количества.
-6
Это означает, что решение о том, «пустые» направления или нет, можно принимать с вероятностью ложной тревоги Р>>10, то есть на основе анализа уровня шумов (по критерию Неймана-Пирсона все, что ниже порога обнаружения, принимается за шум). При этом измерение уровня сигнала (шума) проводят на определенных участках дальности, например, расположенных дальше заданного рубежа обнаружения определенного класса целей. Таким образом, величину уровня, по результатам сравнения сигнала с которым принимают решение о том, что направление «пустое», устанавливают исходя из допустимой вероятности ошибочного зондирования «пустого» направления или исходя из допустимого количества ошибочных зондирований «пустых» направлений, а это количество выбирают (путем установки уровня сниженного порога обнаружения) таким, чтобы была возможность просмотреть все «не пустые» направления буферной части зоны. Поэтому за счет пропуска зондирований «пустых» направлений оставшейся после просмотра приоритетной части зоны энергии всегда будет достаточно для сохранения дальности обнаружения в буферной части зоны. Пропуск n>1 очередных просмотров i-го углового направления, в котором в предшествующем просмотре не был обнаружен сигнал, превышающий установленный уровень, означает, что следующий просмотр i-го углового направления осуществляют через n очередных просмотров, выполняемых в угловых направлениях, в которых был обнаружен такой сигнал, в том числе, например, в (i-1)-м и в (i+1)-м. Эту операцию осуществляют в n очередных просмотрах путем переброса луча из (i-1)-го в (i+1)-е угловое направление, пропуская i-e направление.
При этом решение о том, «пустое» направление или нет, принимают не в процессе текущего просмотра углового направления, а после просмотра ряда направлений или всей буферной части зоны. Это позволяет перед очередным просмотром буферной части зоны, когда уже известно, сколько имеется всего зондирующих сигналов после просмотра приоритетной части зоны, определить, сколько можно их потратить на просмотр направлений, в которых ранее не была обнаружена цель (за вычетом числа зондирующих сигналов, требуемых для сопровождения целей, находящихся в зоне, число которых случайно, но после каждого периода обзора известно). То есть решение о том, какие направления «пустые», можно принимать перед очередным просмотром буферной части зоны на основе сравнения уровня сигналов (шумов), измеренных в предшествующий период просмотра угловых направлений части зоны. Это позволяет выбрать для зондирования направления с наибольшим уровнем сигналов (шумов), измеренных, например, на участках дальности, удаленных на расстояние ΔD от установленного рубежа обнаружения, а по всем остальным направлениям зоны сохранить решение, что они «пустые». Это дает возможность перед просмотром зоны устанавливать уровень в зависимости от количества имеющихся зондирующих сигналов для просмотра зоны, а по направлениям, по которым сохранено решение, что они «пустые», определять допустимую величину n пропусков в их зондировании. Поскольку величину ΔD устанавливают заранее, то можно прогнозировать величину интервала времени, через который предполагаемая цель достигнет заданного рубежа обнаружения, если она находится еще вне интервала дальности ΔD. Скорость такой цели может быть спрогнозирована на основе предположений о классе целей, которые могут находиться в просматриваемом угловом направлении (например, в зависимости от высоты просматриваемой части зоны). В зависимости от вычисленного интервала времени и может быть определена допустимая величина n пропусков в зондировании направлений, по которым сохранено решение, что они «пустые».
Если анализ уровня шумов осуществляют на участке дальности, расположенном за рубежами обнаружения, то в интервале дальности до рубежа обнаружения уровень устанавливают равным порогу обнаружения, так как если в этом интервале обнаружат цель и возьмут ее на сопровождение, то это угловое направление будет просматриваться в режиме сопровождения.
Другим вариантом сохранения дальности в буферной части зоны является обзор ее при пониженной концентрации энергии и при пониженном пороге обнаружения. Если в прототипе пониженная концентрация энергии приводит к сокращению дальности, то в заявляемом способе дальность сохраняется за счет снижения порога обнаружения, а в случае обнаружения сигнала, превысившего этот порог, увеличивают концентрацию энергии и повышают порог обнаружения. Это обеспечивает обнаружение цели на заданной дальности при допустимой вероятности ложной тревоги и становится возможным на основе тех же обоснований, которые приведены выше.
-6
0
0
Действительно, при просмотре с пониженной концентрацией энергии (например, широким лучом) ошибочное принятие «пустых» угловых направлений за направления, содержащие цель, приведет лишь к ошибочному переходу к зондированию этих направлений с повышенной концентрацией энергии (с уменьшенной шириной луча). Причем если вероятность превышения шумом установленного уровня для определения «пустых» направлений в буферной части зоны Р, а общее число угловых направлений этой части зоны, просматриваемых широким лучом М, то в среднем за один период обзора будет совершен ошибочный переход к просмотру с уменьшенной шириной луча в Р-М «пустых» частях зоны (следовательно, к напрасной трате зондирующих сигналов), но на просмотр остальных «пустых» направлений будет затрачено зондирующих сигналов меньше, чем число направлений. Это означает, что решение о том, «пустые» направления или нет, можно принимать с вероятностью ложной тревоги Р>>10, то есть на основе анализа уровня шумов. Поэтому при просмотре n>1 «пустых» направлений широким лучом может быть затрачен лишь один зондирующий сигнал или на m×n угловых направлений m зондирующих сигналов.
Для иллюстрации заявленных способов с изменяемой концентрацией энергии рассмотрим одну из возможных ситуаций.
i
i
i
i+1
Предположим, что пороговый уровень при просмотре i-й части буферной части зоны широким лучом, охватывающим n>1 угловых направлений, установлен так, что допускается в среднем в одном направлении каждый период обзора ошибочное обнаружение цели. Это означает, что при приеме сигналов n парциальными каналами с игольчатыми диаграммами направленности в одном из n «пустых» угловых направлений будет обнаружен сигнал, превышающий пороговый уровень. После чего на следующем шаге выполнят зондирование этого углового направления при использовании игольчатого луча, и порог обнаружения повысят до обеспечения уровня ложной тревоги, устанавливаемого при окончательном принятии решения об обнаружении цели. Если на этом шаге цель не обнаружена, то принимают решение о том, что эта часть зоны «пустая» и переходят к просмотру зоны широким лучом следующей (i+1)-й части буферной части зоны, содержащей n угловых направлений.
0
i
i
0
В рассмотренном случае в среднем на одну «пустую» часть зоны может быть затрачено 2 зондирующих сигнала и тогда n=n/2. При n>2 на просмотр n>1 «пустых» направлений будет затрачен один зондирующий сигнал.
i
Для случая, когда в РЛС отсутствуют парциальные приемные каналы, в заявленном способе прием осуществляют широким лучом, охватывающим n угловых направлений. В этом случае расход зондирующих сигналов на «пустую» часть буферной части зоны увеличится.
i
i
i+1
При этом возможна такая ситуация. При обзоре i-ю часть буферной части зоны облучают лучом, охватывающим все n угловые направления, и таким же лучом осуществляют прием сигналов. Если просматриваемая часть «пустая», но из-за пониженного порогового уровня ошибочно обнаружена цель, то следующие шаги делают для определения углового направления, в котором находится цель. При этом можно использовать несколько вариантов. Например, ширину луча уменьшают в 2 раза и последовательно просматривают две половины i-й части буферной части зоны, каждая из которых содержит n/2 угловых направлений. Если ни в одной из двух половин цель не обнаружена, то всю i-ю часть зоны считают «пустой» и переходят к просмотру (i+1)-й части широким лучом, охватывающим n угловых направлений. Если же в одной половине части i-й части обнаружена цель, то ширину луча уменьшают в 4 раза (от первоначального) и последовательно просматривают эту половину i-й части зоны и т.д., доходя до просмотра углового направления игольчатым лучом. В зависимости от наличия зондирующих сигналов возможны и другие варианты, например, после первого шага, когда при просмотре широким лучом обнаружена цель, перейти сразу к последовательному просмотру i-й части зоны игольчатым лучом.
На любом шаге, при просмотре части зоны лучом с уменьшенной шириной, если не подтверждается обнаружение цели в i-й части, принимают решение, что i-я часть «пустая» и переходят к просмотру (i+1)-й части широким лучом.
Следует отметить, что за счет уменьшения ширины луча увеличивают концентрацию энергии, за счет повышения порогового уровня снижают уровень ложной тревоги, поэтому на конечном шаге, когда просматривают угловое направление игольчатым лучом, ложная тревога и вероятность обнаружения цели могут быть достигнуты такими же, как и в способе-прототипе, но при сохранении заданной дальности.
Чтобы снизить вероятность пропуска целей в «пустых» направлениях, когда их зондирование игольчатым лучом пропущено, эти направления просматривают в пассивном режиме в диапазоне внешних РЭС или при использовании систем активного ответа.
Целесообразность этих способов обосновывается, например, тем, что воздушные цели, особенно высокоскоростные и низколетящие, при движении должны периодически включать бортовые РЭС для предотвращения столкновения с другими целями или с местными предметами. Кроме того, при современном уровне насыщенности территорий радиолокационными станциями каждая цель с достаточно большой частотой облучается их сигналами и отражает их. И если при просмотре углового направления в пассивном режиме принят сигнал внешнего РЭС, то это означает, что это направление перестало быть «пустым».
Аналогично могут быть использованы все известные системы активного ответа, в том числе системы опознавания. В мирное время или в случае локальных конфликтов цели при пролете территории сопредельных государств должны отвечать на запросы наземных или самолетных запросчиков.
Сравнение заявленных способов с прототипом позволяет сделать следующие выводы.
В прототипе энергию, оставшуюся от обслуживания (обзора и сопровождения) приоритетной части зоны, распределяют равномерно по буферной части зоны, уменьшая дальность, а в заявленном способе, основанном на пропуске в зондировании отдельных угловых направлений, эту энергию распределяют только между угловыми направлениями, по которым при предшествующем просмотре не было принято решение, что они «пустые», сохраняя при этом дальность. Этим обеспечивается достижение заявленного технического результата.
В прототипе за счет снижения концентрации энергии в буферной части зоны уменьшают дальность, а в заявленном способе, основанном на снижении концентрации энергии, сохраняют дальность за счет понижения порога обнаружения, допуская повышение вероятности ложной тревоги, а при восстановлении концентрации энергии и порога обнаружения (когда обнаружен сигнал, превышающий пониженный порог), обеспечивают заданный уровень ложной тревоги. Этим обеспечивается достижение заявленного технического результата.
Использование в заявляемом способе излучений внешних РЭС или систем активного ответа возможно при наличии лишь одной приемной позиции, так как измерение дальности до излучающей или облучаемой внешними РЭС цели выполняют при зондировании игольчатым лучом углового направления, в котором обнаружено излучения внешнего РЭС или принят ответный сигнал. При использовании этого способа сохраняется возможность контролировать неприоритетную часть зоны, на просмотр которой не осталось энергии после просмотра приоритетной части зоны достаточно большого размера при сохранении дальности. Этим обеспечивается достижение заявленного технического результата.