Проблемы поиска малоразмерных высокоскоростных целей РЛС с некогерентными приемопередатчиками

Известия Тульского государственного университета Серия Естественные науки 2008. Выпуск 1. С. 151-158

ФИЗИКА

У. IК 621.396.96

Л.Н. Толк а лин, Д. В. Дудка

Тульский государственный университет

ПРОБЛЕМЫ ПОИСКА МАЛОРАЗМЕРНЫХ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЦЕЛЕЙ РЛС С НЕКОГЕРЕНТНЫМИ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКАМИ

Аннотация. Рассматриваются некоторые проблемы поиска высокоскоростных малоразмерных объектов РЛС с некогерентными приемопередатчиками.

В радиолокации проблема поиска и обнаружения движущихся скоростных аэродинамических объектов (целей) достаточно хорошо изучена. Разработано большое количество радиолокационных станций (РЛС) поиска самолетов. Способность «отражать» радиоволны в сторону РЛС характеризуется так называемой эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР), которая исчисляется в квадратных метрах. ЭПР самолетов может колебаться в пределах 3-50 м2в зависимости от ракурса и типа. Другое дело - такие баллистические цели, как артиллерийский снаряд, мина или ракета. ЭПР таких объектов на порядки ниже и может лежать в пределах 25-500 квадратных сантиметров. Но и для этого класса объектов так же построены и находятся на снабжении армий различных стран станции разведки огневых позиций по выстрелу (РЛС РОИ). Созданы доплеровские радиолокационные автономные (автоматические) баллистические станции (АБС) для измерения скорости вылета снаряда из ствола орудия. В рабочем режиме в большинстве вышеупомянутых РЛС лучи антенн направлены в сторону от земной поверхности, поэтому влияние земной поверхности происходит только через боковые лепестки диаграмм направленности антенн (ДНА).

Но в настоящее время стоят и еще более сложные задачи поиска скоростных баллистических объектов с еще меньшими ЭПР. Примером могут служить попытки создания РЛС поиска летящих пуль разного калибра. Такие задачи могут возникать, например, для исследования устойчивости

© Толкалин Л.Н., Дудка Д.В., 2008

охотничьих пуль на траектории полета, измерения полетных скоростей на трассе, выявления дефектов производства и т.д.

Условимся называть этот тип целей малоразмерными. Их ЭПР может лежать в пределах единиц квадратных сантиметров и менее. Для поиска объектов такого класса у инженеров и заказчиков всегда имеется желание разработать простые и недорогие радиолокационные приборы. К таким станциям относятся некогерентные РЛС, работающие в режимах непрерывного или импульсного излучения. Идя по пути «от простого к сложному» будет легче понять и основные проблемы.

Некогерентный режим энергетического обнаружителя

При стрельбе из оружия по наземной мишени стрелок посылает пулю над земной поверхностью. Для того чтобы обнаружить ее, необходимо направить луч антенны так же вдоль земной поверхности. Не вдаваясь в тонкости формирования концепции построения РЛС, представим общую картину работы радара так, как показано на рис,.1.

На рисунке показаны все основные «действующие лица», формирующие отраженные радиолокационные сигналы. Полет пули проходит среди местных предметов и растительных образований. От каждого предмета образуется отраженный сигнал, поступающий на вход приемника радара. Может оказаться, что сигналы от местности, которые принято называть пассивными коррелированными помехами, или просто пассивными помехами, буду на порядки больше, чем сигнал от летящей пули. Тогда обнаружить даже быстро летящий малоразмерный объект будет невозможно.

Рис. 1. Внешние условия поиска скоростного объекта

Чтобы оценить, каково ожидаемое отношение сигнал/пассивная помеха рассмотрим несколько вариантов образования отраженных сигналов.

Из теоретической радиолокации [1] известно, что в одном и том же радаре отношение мощностей полезного сигнала от цели рц к мощности пассивной помехи от местности рм будет равно отношениям их ЭПР

Рч=£ч1

Рм &м

где .чц. — ЭПР цели и местности соответственно.

ЭПР пули можно рассчитать методом моделирования электродинамических процессов или практическими замерами. Для калибров 5-7 мм ЭПР может составлять (1-3) 10“5м2 в зависимости от ракурса, что по радиолокационным меркам - чрезвычайно малая величина.

ЭПР местности прогнозировать можно, если известен тип РЛС, его параметры и характеристики местности. Изначально, для местности с распределенными параметрами, то есть когда покров местности однороден (травяной покров, кустарник, пашня и т.д.) необходимо знать отражающую способность одного квадратного метра поверхности. Это понятие именуется как удельная отражающая поверхность ну() размерности [м2/м2]. Зная геометрическую площадь S (см. рис.1), освещаемую лучом антенны и домножая ее на syд можно получить и ЭПР отражающей местности.

Для РЛС непрерывного излучения отраженные сигналы поступают на вход приемника сразу со всей геометрической площади S. Поэтому для расчетов придется вычислить тригонометрическую площадь тем или иным способом. Тогда

Sj — S ' Syß.

Величины syd в разных источниках отличаются, но имеют примерно одинаковый порядок. Ниже приведены некоторые из них. Там же даны и ЭПР различных предметов, которые могут попасть в общий сигнальный объем.

Рассмотрим ожидаемые отношения сигнал/помеха для РЛС непрерывного излучения монохромного зондирующего сигнала на конкретном примере. Упростим задачу и возьмем, к примеру, геометрическую площадь облучения 101 м2 (площадка 100x100 м) с кустарниковыми насаждениями (ну() = ИГ3). Тогда отношение сигналов от пули с .чц 10-5 м2 будет составлять

Рц __ S4 _ -j^q — 6

Рм,

Таким образом, в рассмотренном случае сигнал от пули будет в миллион раз меньше по мощности, чем сигнал от пассивной помехи. Понятно, что простым энергетическим путем обнаружить пулю с помощью станции непрерывного излучения практически невозможно.

Теперь рассмотрим вариант работы импульсной РЛС. Если в РЛС непрерывного излучения отраженные сигналы аддитивно поступают со всей площади S, то в импульсной - поочередно от элементов разрешения начиная от минимальной до максимальной дальности действия. Поэтому сигналы от

Таблица 1

Примеры удельных ЭПР Зуд и ЭПР местных предметов змв м2

Тип местности или образования удельная ЭПР вуд

траватабл. луговая м2/м2 зуд = (1-4) 10-4

мелкий кустарник ¿V = (1-3) нг3

лесная растительность зуд = (0.5-2) НГ2

трава луговая ¿V = (1-4) 10-4

автомобильтабл. м2 зц= 7-25

дом сельский 8Ц= 7-15

дома городской застройки зц = 15-1000

дерево лиственное высотой до 10 м зц = 10-15

человек зц = 0.7- 1.5

птица вч= (1-10) Ю-4

пассивной помехи и цели одновременно могут находиться только в одном

Ст

элементе разрешения !2", где ти- длительность зондирующего импульса передатчика РЛС, С - скорость света. Разумеется, площадь разрешаемого элемента 8илш формируется все той же шириной, охватываемой лучом антенны С}а (см. рис.1).

Для малых углов (}п па расстоянии И примерную площадь элемента разрешения 8илт можно рассчитать как Зилт « . Упрощая расчеты, по-

ложим ¡1(}п = 100 м и посмотрим, как изменяется отношение сигнал/помеха в зависимости от длительности зондирующего импульса ти. Значения площадей и отношений сигнал/помеха приведены в табл. 2. В качестве помех и целей взяты те же объекты: яц 10-5 м2, зуд = 10_3м2.

Таблица 2

Отношение сигнал/пассивная помеха для импульсной РЛС

Длительность зондирующего радиоимпульса Отношение сигнал / пассивная помеха на 100 м участке Число каналов СДЦ

1 МКС о ^1 о 1 О! 2

100 не 7-НГ6 20

10 не 7-10“5 200

1 НС 7-НГ4 2000

Из табл. 2 видно, что на дальности 100 м существенное улучшение отношения сигнал/помеха наступает при длительностях зондирующего импульса менее 10 не. Однако, генерирование и обработка импульсов порядка 1 не представляет собой достаточно сложную техническую проблему. К тому же, даже при ти 1 не отношение сигнал/помеха остается очень малым и не позволяет обнаруживать цель простыми энергетическими методами.

Таким образом, применение дешевых РЛС непрерывного излучения монохромного зондирующего, а так же и импульсного зондирующих сигналов для поиска малоразмерных высокоскоростных целей в некогерентном режиме энергетического обнаружителя вряд ли можно считать перспективным.

Режим работы с внешней когерентностью и СДЦ

На ранних этапах развития радиолокации, когда инженеры еще не научились разрабатывать сложные когерентные СВЧ приемопередатчики, были популярны радары с внешней когерентностью. Они позволяли подавлять пассивные помехи от местности и селектировать, при благоприятных условиях, движущиеся цели с помощью фильтров селекции движущихся целей (СДЦ). При этом РЛС оставались дешевыми, хотя и недостаточно эффективными. Да и сегодня этот тип станций нередко применяется. Рассмотрим возможности импульсных РЛС с некогерентным приемопередатчиком, если организовать рабочий канал с так называемой внешней когерентностью.

Некогерентные импульсные РЛС могут работать в режиме так называемой внешней когерентности, когда сигнал пассивной помехи от местности используется в качестве опорного когерентного. Тогда не предъявляется высоких требований к когерентности СВЧ генераторов, поскольку интервал когерентности соответствует длительности зондирующего импульса ти. Принцип действия режима внешней когерентности проиллюстрирован на рис.2.

Основное устройство, где может образовываться доплеровская модуляция огибающей импульсного сигнала от цели, является амплитудный детектор. На его выходе векторно складываются сигналы от местного предмета иА, н цели иц. движущейся со скоростью сближения с радаром 1->(с.м. рис. 2в). Вектор сигнала 11цвращается относительно вектора (/„с угловой скоростью Оа = 2 тг У,) = 47гР^Уг 5 где А - длина волны РЛС. Благодаря этому модуль |и^| суммарного вектора модулируется частотой Доплера Ь\). На осциллограмме «а» показана «бабочка» импульсов, отраженных от цели, промоделированных доплеровской частотой. Эту модуляцию можно использовать для фильтрации полезного сигнала и подавления пассивных помех. Но здесь есть ряд «подводных» камней.

Сигналы, отраженные от близко и далеко расположенных местных предметов, имеют огромный динамический диапазон, а приемники - небольшой.

Рис. 2. Работа импульсной РЛС в режиме внешней когерентности

Мощные сигналы от местности вводят приемник в режим ограничения. Тогда доплеровская модуляция на выходе исчезает, и обнаружение цели становится невозможным (рис. 26). Чтобы этого не происходило, нужна специальная система автоматической регулировки уровня (АРУр) мгновенного действия. Именно уровня, а не усиления, приводящего к ослаблению полезного сигнала. Однако, как показывает практика, создать ее с реакцией 0,1 -

0,3 мкс невозможно. Иначе она будет демодулировать полезную доплеров-скую частоту огибающей. Выходом из этой ситуации может быть следующее решение. Принцип действия его проиллюстрирован на рис. 2г). Вся дальность действия разбивается на N равных участков, примыкающих друг к другу. После излучения зондирующего радиоимпульса на вход приемника начинают поступать отраженные сигналы последовательно от ближних затем от самых дальних элементов местности и целей. На каждом участке дальности, или иначе - на каждом временном интервале работает один из N однотипных каналов обработки. Каналы последовательно от первого до последнего подключаются с помощью ключей за счет подачи на них «бегущего» синхроимпульса, генерируемого регистровой цепочкой. Таким образом, осуществляется временная корреляция синхроимпульса и отраженного

сигнала. Попасть сигнал, отраженный от других участков местности в работающий канал уже не может. Расчет параметра N проводили по формуле

гр О о

N = —; Т3 = Д1ах, где Т3, ти- задержка отраженного сигнала с максимальной дальности Итаж и длительность зондирующего импульса соответственно; С - скорость света.

Сигналы в канале усиливаются усилителем с достаточно инерционной АРУ, которая срабатывает не по каждому короткому импульсу отраженного сигнала, а по среднему уровню огибающей сигналов с данного участка местности. За счет этой относительной инерционности демодуляции допле-ровской огибающей не происходит. Таким образом, в большинстве случаев удается избежать явления ограничения «сверху» в каналах без потери до-плеровской информации и без потери амплитуды сигнала от цели, которые наблюдаются при использовании классической автоматической регулировки усиления АРУ, или логарифмического приемника.

Далее, детектором огибающей (ДОГ) выделяется огибающая импульсной последовательности, после чего получается некий эквивалент низкочастотного сигнала, который наблюдается в РЛС непрерывного излучения монохромного зондирующего сигнала. Потом сигналы от движущихся целей можно фильтровать низкочастотным фильтром селекции движущихся целей (СДЦ) с амплитудно-частотной характеристикой &(/), как проиллюстрировано на рис. 3. Остается из полученного на выходе фильтра синусоидального сигнала доплеровской частоты восстановить импульсные сигналы, которые поступали на вход канала в том же месте по времени относительно зондирующего импульса. Для этого амплитудным детектором и интегратором получаем выходной проинтегрированный низкочастотный всплеск сигнала от цели, соответствующий времени пролета цели в интервале канала.

Рис. 3. Принцип фильтрации сигналов

Из него с помощью второго ключа «вырезаем временной кусочек», соответствующий длительности ти п задержке Т3 на которой работает данный канал.

Количество необходимых каналов зависит как от максимальной дальности действия, так и длительности зондирующего импульса. В табл. 2 дано количество каналов, необходимых для дальности действия Н 100 м.

Структура рис. 2 поясняет возможные принципы построения каналов обработки сигналов в относительно простых некогерентных РЛС для задач поиска малоразмерных скоростных целей. Практическая реализация каналов СДЦ возможна в области цифровой обработки сигналов сигнальными процессорами. Там есть некоторая аналогия, когда вся дальность действия разбивается на N точек по дальности, а фильтры СДЦ образуют М - гребенчатую структуру (М точек по частоте) на базе БПФ. Вопрос заключается лишь в том, как выбрать рациональную длительность зондирующего импульса РЛС с тем, чтобы хватило быстродействия сигнального процессора и появилась возможность практической реализации недорогого приемопередатчика.

Недостатки режимов с внешней когерентности известны. Это зависимость отраженного сигнала от наличия или отсутствия отражений от местных предметов. На рис. 2а,б проиллюстрированы «провалы» в опорных сигналах. И чем короче зондирующий импульс, тем больше вероятность того, сто цель будет потеряна, поскольку доплеровская огибающая без достаточного уровня опорного не образуется.

Рассмотренный материал может позволить сделать несколько предварительных выводов:

1. Задача поиска малоразмерных высокоскоростных движущихся целей сложна.

2. Использование для этих целей РЛС с некогерентными приемопередатчиками возможна, хотя еще и требует более глубокой научно-технической проработки.

Библиографический список

1. Дулевич В.Е. Теоретические основы радиолокации / В.Е. Дулевич, A.A. Коростелев. - М.: Сов. радио, 1964.

Поступило 11.02.2008