СПОСОБ АДАПТИВНОГО ОБЗОРА ЗОНЫ ДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ С ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ
METHOD FOR ADAPTIVE VIEW OF THE COVERAGE AREA OF A PULSED RADAR STATION WITH A PHASED ANTENNA ARRAY

G01S 13/00 - Системы, использующие отражение или вторичное излучение радиоволн, например радарные системы. Аналогичные системы, использующие отражение или вторичное излучение волн, в которых длина волн или тип волн несущественны (с использованием акустических волн G01S 15/00; с использованием электромагнитных волн иных, чем радиоволны G01S 17/00).
Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в импульсных радиолокационных станциях (РЛС) обнаружения и (или) сопровождения целей с фазированными антенными решетками (ФАР).
В современных импульсных РЛС обнаружения и/или сопровождения применяются те или иные виды обзора зоны действия РЛС, основанные на обследовании зоны действия одной или несколькими диаграммами направленности антенны (ДНА) той или иной формы («карандашная», «веерная») последовательно или последовательно-параллельно во времени и в пространстве. Принцип действия импульсной РЛС заключается в следующем. Передатчик РЛС генерирует последовательность зондирующих радиоимпульсов, которые излучаются с помощью передающей ДНА, сфокусированной в заданном направлении пространства. Приемная ДНА фокусируется в направлении излучения и в течение времени распространения одного радиоимпульса в зоне действия РЛС производится прием отраженных радиосигналов от целей, находящихся на данном угловом направлении, и их обработка. Далее передающая и приемная ДНА фокусируются в новое требуемое угловое положение или остаются в данном угловом направлении в зависимости от программы работы, генерируется следующий зондирующий радиоимпульс, и процесс повторяется. Интервалы времени между временем излучения зондирующих сигналов (назовем их тактами) обычно равны и определяются по максимальной дальности зоны действия по известным формулам с учетом обеспечения однозначности измерения дальности. Часто применяется небольшое изменение длительности тактов (вобуляция) при работе схем селекции движущихся целей. Данный принцип работы РЛС иллюстрируется фигурами 1,а и 2,а. Зона действия формируется при угловом сканировании ДНА и представляет совокупность зон по дальности, одна из которых изображена на фигуре 1,а, от минимальной дальности (Rmin), определяемой длительностью зондирующего радиоимпульса, до максимальной дальности (Rmax), определяемой длительностью такта. Последовательность излучения (И) зондирующих радиоимпульсов и приема (П) отраженных от целей радиосигналов показан на фигуре 2,а. Интервал времени И в общем случае включает время фокусировки передающей ДНА ФАР в заданном направлении, настройку передатчика на формирование зондирующего радиоимпульса с заданными параметрами, излучение зондирующего радиоимпульса, настройку приемника на прием отраженного радиоимпульса, соответствующего излученному, фокусировку приемной ДНА в направлении излучения, времени работы антенного переключателя прием-передача. Интервал времени приема отраженных от целей радиосигналов (П) всегда следует сразу за интервалом излучения (И).
Способы обзора чрезвычайно разнообразны. Одна из классификаций способов обзора с их описанием приведена, например, в [1, с. 181-189]. Все эти способы преследуют одну цель: обследовать заданную зону в минимальное время при обеспечении требуемого времени облучения. Самым распространенным способом достижения этой цели является разделение зоны действия РЛС на зоны по дальности (так называемые шкалы дальности) и (или) по углам (так называемый секторный обзор) и их индивидуальное обследование. В зависимости от выбранной шкалы дальности и (или) размеров углового сектора выбираются параметры работы антенного и приемо-передающего устройств (параметры зондирующих радиоимпульсов, ДНА, скорость сканирования и т.п.).
Известен способ обзора, описанный в [2, с. 46] и применяемый в РЛС дальнего обнаружения и слежения за высокоскоростными космическими объектами на большой дальности, когда не удается обеспечить обзор целой зоны. В соответствии с ним организуется обследование не всей зоны, а только назначенных барьерных зон.
Анализ известных способов обзора показывает, что общим в них является то, что обзор по дальности производится естественным образом - в процессе распространения радиосигнала [1, с. 182]. Физически это означает, что приемник РЛС согласован с зондирующим радиосигналом по всем параметрам (несущей частоте, форме импульса, виду внутриимпульсной модуляции, поляризации) все время распространения радиосигнала на максимальную дальность и обратно. Это приводит к тому, что в том случае, если в заданном угловом направлении требуется обследовать только определенную зону дальности (например, при сопровождении цели или при обзоре в заданной области пространства по углам и дальности), то время распространения радиосигнала до начала заданной области пространства по дальности не используется в целях обнаружения или сопровождения цели. Это время можно использовать для обследования других зон по дальности.
Известен способ обзора, описанный в [3]. Он наиболее близок к предлагаемому способу по принципу приема отраженного радиосигнала и выбран в качестве прототипа. Суть способа заключается в том, что для обзора зоны, находящейся за пределами однозначного определения дальности, излучают последовательность зондирующих радиоимпульсов на несущих частотах, изменяющихся от такта к такту, а прием отраженных сигналов производят на тех же частотах, но в других так-тах, соответствующих расстоянию до цели. Однако, во-первых, для реализации этого способа необходимо применение специального канала с компенсационной антенной, во-вторых, данный способ используется только для расширения зоны действия РЛС по дальности, и, в-третьих, он не устраняет вышеуказанный недостаток способов обзора, связанный с неиспользованием времени распространения зондирующего сигнала до начала заданной области пространства.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности функционирования РЛС за счет адаптации требуемой зоны обследования по местоположению в зоне действия, геометрическим размерам и параметрам обследования (времени обследования, числу зондирований, параметрам зондирующих радиоимпульсов, параметрам приемника) к параметрам решаемой задачи с учетом априорной информации об обстановке.
Данный технический результат достигается за счет того, что в зоне действия РЛС формируется требуемая зона обзора, составленная из элементарных ячеек обзора с индивидуальными параметрами обследования каждой. Элементарная ячейка обзора (ЭЯО) представляет собой область пространства, угловые размеры которой в горизонтальной и вертикальной плоскостях равны наименьшей ширине передающей и приемной ДНА в соответствующей плоскости, а размер по дальности в целое число раз (N) меньше максимальной границы зоны действия РЛС и определяется тактическими соображениями. Несколько ЭЯО, расположенных подряд образуют объединенную ячейку обзора (ОЯО). Для обследования сформированной зоны обзора формируется последовательность зондирующих радиоимпульсов, каждый из которых отличается по несущей частоте и (или) виду и (или) закону внутриимпульсной модуляции от соседних радиоимпульсов и предназначен для обследования только одной ЭЯО (ОЯО), находящихся на одном угловом направлении. Однозначное определение дальности во всей зоне действия РЛС обеспечивается выбором минимального интервала времени между одинаковыми зондирующими радиоимпульсами известным из теории радиолокации способом. Очередной зондирующий радиоимпульс с помощью предварительно сфокусированной передающей ДНА излучается в направлении очередной ЭЯО (ОЯО). Для приема отраженных от целей сигналов приемная ДНА фокусируется в направлении ЭЯО (ОЯО), из которой ожидается отраженный сигнал, а приемник перестраивается на параметры зондирующего радиоимпульса, который был использован для облучения этой ЭЯО (ОЯО). Время излучения зондирующих радиоимпульсов и время включения приемника для приема этих радиоимпульсов приходились на разные такты, причем синхронизировались по заданной программе таким образом, чтобы интервал работы приемника, определяемый протяженностью по дальности ЭЯО (ОЯО), приходился на интервалы времени распространения других зондирующих сигналов до назначенных им ЭЯО (ОЯО) и обратно к РЛС. Последовательность обследования ЭЯО планируется исходя из существа решаемой РЛС задачи.
Предлагаемый способ обзора иллюстрируется фигурами 1,б - 1,з и 2,б - 2,з. На фигурах 1,б6 - 1,з показаны обследуемые ЭЯО (ОЯО) по дальности, из которых путем размещения на разных угловых направлениях формируется требуемая зона обзора в пределах зоны действия РЛС. На фигурах 2,б - 2,з показаны соответствующие последовательности излучения зондирующих сигналов и их приема во времени, реализация которых обеспечивает обследование ЭЯО (ОЯО), показанных на фигурах 1,б - 1,з. Цифры у букв (И0, И1, И2, И3, П0, П1, П2, П3) обозначают условный номер совокупности параметров сигнала (несущая частота, форме импульса, вид внутриимпульсной модуляции, поляризация), на которые настроены передатчик и приемник РЛС. Предполагается установившийся режим работы РЛС в угловом секторе сканирования ФАР. Способ обзора, показанный на фигурах 1,а и 2,а будем считать основным. Штриховая линия показывает соответствие интервалов однозначного определения дальности в основном и предлагаемом способах обзора. Некоторые возможные варианты программ синхронизации излучения и приема радиосигналов и обследуемые зоны дальности для разных N приведены в таб-лице.
На фигурах 1,б и 2,б показано применение способа при N=2 (вариант 1 таблицы). Расположение ЭЯО по дальности показано на фигуре 1,б. Последовательность работы, показанная на фигуре 2,б, следующая: излучается сигнал 0, принимается сигнал 1, излученный ранее, излучается сигнал 1, принимается сигнал 0 и т.д. Применение способа с данными параметрами позволяет построить требуемую зону обследования в виде сектора кольца на одном угломестном направлении, размер по дальности которого равен (Rmax /2-Rmin). Эту зону можно обследовать или в 2 раза быстрее, чем в основном варианте, или каждый ЭЯО данной зоны обследовать дважды. Возможно формирование требуемой зоны в виде двух секторов колец, расположенных на разных угловых направлениях, время обследования которой будет соответствовать времени обследования основного варианта. Наконец, возможно формирование требуемой зоны в виде нескольких секторов колец с угловыми размерами пропорционально меньшими, чем угловые размеры зоны действия, расположенных на разных угломестных направлениях.
На фигурах 1 в и г показано применение способа при N=3 (варианты 7 и 6, соответственно). Расположение ЭЯО по дальности показано на фигурах 2,в и 2,г, соответственно. На фигурах 1,е и 1,ж показано применение способа при N=4 (варианты 31 и 28, соответственно). Расположение ЭЯО по дальности показано на фигурах 2,е и 2,ж, соответственно. Вариантов формирования требуемой зоны обследования очень много, поэтому они здесь не описываются.
С ростом N размеры ЭЯО по дальности уменьшаются, и число вариантов их размещения в пространстве растет, что позволяет повысить точность адаптации параметров требуемой зоны обследования к обстановке. При этом либо время обследования зоны по сравнению с основным вариантом уменьшается пропорционально N, либо количество зондирований этой зоны увеличивается пропорционально N.
С ростом N растет протяженность необследуемых зон, возникающих за счет излучения зондирующих радиоимпульсов. Для уменьшения таких зон применяются ОЯО. Для этого зондирующие радиоимпульсы излучаются через неравные интервалы времени, величина которых пропорциональна протяженности ОЯО по дальности. Примеры использования данной модификации способа показаны на фигуре 1,д (для N=2) и фигуре 1,з (для N=3). Расположение ЭЯО и ОЯО по дальности показано на фигурах 2,д и 2,з, соответственно.
Заявляемый способ обзора обладает совокупностью существенных признаков, которые не известны из уровня техники для объектов подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения.
Заявляемый способ обзора соответствует критерию «изобретательский уровень», так как для специалистов он явным образом не следует из уровня техники, т.е. не известен из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки.
Реализация заявляемого способа обзора возможна на существующих в настоящее время и перспективных РЛС с ФАР и приемо-передающими устройствами с поимпульсной электронной перестройкой параметров зондирующих радиосигналов. Примером таких РЛС являются существующие и перспективные РЛС обнаружения и слежения за космическими объектами и определения их орбит [2]. Время перестройки параметров ФАР и приемо-передающего устройства для таких РЛС не более нескольких микросекунд. Для реализации предлагаемого способа необходимо исходя из решаемой задачи (поиск, сопровождение) выбрать N и изменить порядок синхронизации работы таких устройств РЛС, как ФАР - передатчик - приемник, например, в соответствии с таблицей путем соответствующей доработки алгоритма диспетчера управления аппаратурой. Применение предлагаемого способа позволит либо увеличить количество барьерных зон, либо увеличить число зондирований существующих барьерных зон, либо увеличить количество одновременно сопровождаемых целей, что повысит эффективность функционирования этих РЛС по назначению. Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа обзора критерию «промышленная применимость» для изобретения.
Литература
1. Теоретические основы радиолокации / А.А. Коростелев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник и др.; Под ред. В.Е. Дулевича. - М.: Сов. радио, 1978. - 608 с.
2. Саврасов Ю.С. Алгоритмы и программы в радиолокации. - М.: Радио и связь, 1985. - 216 с.
3. Бомштейн А.Д., Шашин О.С. Способ и устройство сопровождения целей на больших дальностях, патент РФ №2577845, опубл. 20.03.2016. Бюл. №8.