Способ имитации радиолокационных отражений для систем с двумя приемными антеннами
METHOD FOR SIMULATING RADAR REFLECTIONS FOR SYSTEMS WITH TWO RECEIVING ANTENNAS

Предлагаемое изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в области испытания бортовых радиолокационных станций (РЛС) в лабораторных условиях.
В процессе разработки современных РЛС прибегают к полунатурному моделированию сигнально-помеховой обстановки в лабораторных условиях с целью осуществления апробации систем в лабораторных условиях. Это позволяет в значительной степени сократить расходы материальных и временных ресурсов за счет сокращения объема натурных испытаний.
Наиболее востребованными являются комплексы имитации, которые воспроизводят электромагнитные волны, отражаемые радиолокационной целью и фоном, на апертуре антенны РЛС. Такие имитаторы обеспечивают наиболее полное и достоверное моделирование эхосигналов и позволяют проводить исследования готовой и функционирующей РЛС. Основная идея заключается в замещении точечной цели антенным излучателем или их группой. Известные имитаторы обеспечивают либо механическое, либо электронное перемещение моделируемой цели.
Известны способы имитации, в которых на основе механических перемещений антенного излучателя имитируют перемещения точечной цели: US патент № 5892479 «Electromagnetic target generator», 1997; US патент № 2934759 «Radar target simulator», 1958; РФ патент № 2093852 «Устройство для имитации целей», 2013.
Однако в указанных способах очевидны недостатки, связанные с ограничениями по моделированию быстрых перемещений, перемещений по сложным траекториям, отражений от распределенных объектов с учетом угловых шумов.
Кроме того, известны способы имитации, в которых реализуют дискретные либо непрерывные электронные перемещения цели.
Дискретные перемещения осуществляют коммутацией антенных излучателей имитатора: из нескольких жестко закрепленных антенн выбирают одну, имитирующую цель в соответствующем положении. Данные способы имитации реализованы в устройствах: РФ патент № 2403587 «Имитатор радиолокационного сигнала сцены», 2010; РФ патент № 2094915 «Имитатор источников радиосигналов», 1997; US патент № 4660041 «Radar scene simulator», 1983 и др.
Недостатком является то, что ошибки моделирования, обусловленные дискретизацией движения цели, зависят от плотности компоновки излучателей и не могут быть устранены полностью. Также недостатком являются ограниченные возможности по моделированию отражений от распределенных объектов.
Наиболее перспективными являются матричные имитаторы (МИ), с помощью которых реализуют электронные непрерывные перемещения моделируемой цели. МИ рассмотрены в работах: Mitchell E. Sisle, Edward D. McCarthy. Hardware-in-the-loop simulation for an active missile // Simulation, Vol 39, Issue 5, 1982, pp. 159-167; Wayne, D.J., McBride, S.T., McKenna, J.T. Multiple Target, Dynamic RF Scene Generator // AMTA Proceedings, Suwanee, USA, 2016, pp. 319-324; J. Ma, C. Jin, B. Shi, и D. Chen. Analysis of the Simulation Fidelity in Millimeter Wave Simulation System // Theory, Methodology, Tools and Applications for Modeling and Simulation of Complex Systems, 2016, pp. 333-343 и др.
МИ представляет собой матрицу из нескольких неподвижных излучателей. Работа МИ основана на том, что матрица излучателей, размеры которой не превышают размеры элемента разрешения, наблюдается как точечный источник - кажущийся центр излучения (КЦИ). КЦИ замещает точечную цель либо точечный отражатель распределенной цели в требуемом угловом положении. Положение КЦИ определяется амплитудно-фазовыми соотношениями сигналов в соответствии с формулой:
E
i
i
i
i
i
, ϕ- амплитуда и фаза напряженности электрического поля в точке приема от -го излучателя, Δξ и ξ - угловые координата КЦИ и координата -го излучателя, нормированные к угловому размеру матрицы.
Как правило, обеспечивают синфазность сигналов МИ в точке приема, а управление положением КЦИ осуществляется путем перераспределения мощности между сигналами излучателей матрицы. Тогда (1) имеет вид:
Устройства, реализующие принципы работы МИ: РФ патент № 2610837 «Способ имитации радиолокационных отражений», 2017; US патент №10520586 «System for generating virtual radar signatures», 2019; CN патент №104133376 «Target vector control method used for radio frequency simulation», 2016; US патент №2009/0058715A1 «Methods and systems for generating virtual radar targets», 2009 и др.
Вопросы синтеза МИ достаточно подробно рассмотрены в литературе. Однако их рассматривали применительно лишь к РЛС, использующим одну приемную антенну. Уровень проработки теоретических и прикладных вопросов МИ ограничен одноантенными РЛС, что является недостатком.
Прототипом предлагаемого изобретения является способ имитации радиолокационных отражений, описанный в US патенте № 4660041 «Radar scene simulator», 2017. В данном способе используют матрицу излучателей, где к каждому излучателю подводят сигнал, соответствующий эхосигналу от точечной цели с учетом доплеровских флуктуаций, амплитудных флуктуаций и времени задержки. Мощности сигналов определяют требованиями к уровню мощности суммарного сигнала в точке приема и угловым положением КЦИ, который моделирует точечную цель либо точечный отражатель распределенной цели в соответствии с (2).
Однако указанный способ имеет недостаток: область использования ограничена одноантенными РЛС. Если матрицу излучателей применить для имитации эхосигналов РЛС, использующей одновременно две приемные антенны с перекрывающимися диаграммами направленности (например, РЛС с дополнительным каналом приема для компенсации помех), то сигналы имитатора в точках приема будут иметь различные амплитудно-фазовые соотношения и, как следует из (1), антенны будут наблюдать имитируемую цель в различных положениях. Это приведет к появлению ошибок моделирования эхосигналов многоантенной РЛС.
Задачей предлагаемого «Способа имитации радиолокационных отражений для систем с двумя приемными антеннами» является способ построения МИ для имитации цели, наблюдаемой двумя антеннами в одном и том же положении. Техническим результатом предлагаемого «Способа имитации радиолокационных отражений для систем с двумя приемными антеннами» является расширение области использования матричных имитаторов за счет появления возможности формировать отражения от объектов в реальном масштабе времени для двухантенных радиолокационных систем.
x
x
x
n
n
x
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе имитации радиолокационных отражений для систем с двумя приемными антеннами, состоящем в том, что для имитации эхосигналов РЛС синтезируют матрицу излучателей, формирующую электромагнитное поле, соответствующее отражениям от реального имитируемого объекта с учетом его параметров движения, отражающих свойств, протяженности, при этом для имитации эхосигналов РЛС с двумя приемными антеннами задают параметры испытываемой РЛС, расстояние между линией расположения фазовых центров приемных антенн и линией расположения фазовых центров излучателей матрицы, -координату первого излучателя на оси симметрии и ориентировочную -координату второго излучателя, затем, используя -координаты первого и второго излучателей, находят значение , округляют его до ближайшего целого и для полученного  уточняют -координату второго излучателя, далее рассчитывают фазовую добавку сигнала второго излучателя, после полученную точку расположения второго излучателя отражают относительно оси симметрии для получения симметричной матрицы из трех излучателей, далее задают ориентировочную точку расположения следующего излучателя и последовательность действий циклично повторяют до тех пор, пока не будет получена требуемая матрица излучателей,  и с учетом рассчитанных параметров производят вычисление отсчетов комплексных огибающих сигналов, на основе которых формируют радиочастотные сигналы матричного имитатора.
На чертеже изображена структура комплекса полунатурного моделирования на основе матрицы из двух излучателей.
Устройство (см. чертеж) содержит:
1. Слабонаправленные антенны (1) и (2), максимумы диаграмм направленности которых ориентированы в сторону приемных антенн двухантенной РЛС. Поляризация антенн имитатора совпадает с поляризацией антенн РЛС.
2. Имитатор эхосигналов (3), осуществляющий расчет отсчетов комплексных огибающих сигналов, подводимых к излучателям, и формирование радиочастотных сигналов.
3. Исследуемую РЛС (3), осуществляющую прием и обработку сигналов.
4. Информационный канал связи (5), по которому в имитатор передается информация о режиме работы РЛС.
A
x
y
x
y
A
B
b
b
1
1
2
2
Координаты излучателей (1) и (2) имитатора (3) (см. чертеж) во введенной декартовой системе координат, связанной с антенной , обозначены как (, ) и (, ). Координаты точек приема, то есть фазовых центров приемных антенн,  и  равны (0, 0) и (, 0). По сути,  - расстояние между точками приема.
A
B
Условие синфазности сигналов излучателей в обеих точках приема  и  двухантенной РЛС (4) имеет вид системы уравнений:
2
ij
1
2
R
i
j
k
k
где Δφ - фазовая добавка сигнала второго излучателя;  - расстояние между -м излучателем и -й точкой приема (см. чертеж); λ - длина волны;  и  - целые числа.
Разность уравнений системы (3) после преобразований имеет вид:
где  - целое число.
A
Запишем соотношение (4) с учетом введенной системы координат, связанной с антенной (см. чертеж):
Пусть координаты первого излучателя заданы, и излучатели расположены на одной прямой . Тогда правая часть уравнения (5) может быть рассчитана отдельно как , и (5) имеет вид:
Сделаем замену  и подставим её в (6):
x
b
x
x
b
1
2
При расположении 1-го излучателя на оси симметрии двухантенной РЛС получаем симметричную конфигурацию излучателей, расположенных на одной прямой. Действительно, при  = /2 из (7) получаем, что значения оказываются симметричными относительно  = /2:
Соотношение для расчета фазовой добавки сигнала 2-го излучателя быть получено из 1-го уравнения системы (3):
где mod - операция взятия остатка от целочисленного деления.
N
Выражения (8) и (9) позволяют синтезировать матрицу излучателей требуемого размера из (2+1)излучателей для обеспечения требуемого углового диапазона имитации цели.
Способ осуществляется следующим образом.
b
y
x
x
b
x
x
1
2
1. Задают параметры испытываемой РЛС  и λ, уравнение прямой расположения излучателей  = const (расстояние между линией расположения фазовых центров приемных антенн и линией расположения фазовых центров излучателей матрицы), -координату первого излучателя  = /2 и ориентировочную -координату второго излучателя '.
n
n
2. Из системы (5) находят соответствующее значение . Полученное  округляют до ближайшего целочисленного значения.
n
x
3. Для полученного целочисленного  из (8) уточняют -координату второго излучателя.
4. По соотношению (9) рассчитывают фазовую добавку сигнала второго излучателя.
x
b
5. Полученную точку расположения второго излучателя отражают относительно оси симметрии = /2 для получения симметричной матрицы из трех излучателей.
Далее задают следующую ориентировочную точку расположения следующего излучателя и последовательность действий циклично повторяют до тех пор, пока не будет получена требуемая матрица излучателей.
Затем на основе модели имитируемого радиолокационного объекта с учетом его расположения, параметров движения, ориентации и формы диаграммы направленности РЛС, параметров зондирующего сигнала рассчитывают параметры сигналов, подводимых к излучателям имитатора (мощности, фазы, форма доплеровского спектра).
После этого с учетом рассчитанных параметров производят вычисление отсчетов комплексных огибающих сигналов, на основе которых формируют радиочастотные сигналы матричного имитатора.
Техническим результатом предлагаемого «Способа имитации радиолокационных отражений для систем с двумя приемными антеннами» является расширение области использования матричных имитаторов за счет появления возможности формировать отражения от объектов в реальном масштабе времени для двухантенных радиолокационных систем.