СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБЗОРА ПРОСТРАНСТВА
METHOD OF SPACE RADAR SCANNING

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при построении или модернизации вращающихся многофункциональных радиолокационных систем с активными фазированными антенными решетками (АФАР) и электронным сканированием для обзора воздушного пространства.
Радиолокационные станции (РЛС) с АФАР, называемые за рубежом многофункциональными РЛС (МРЛС), являются в настоящее время наиболее эффективным средством получения радиолокационной информации. Благодаря двумерному электронному сканированию такие РЛС позволяют реализовать как круговой, так и секторный режимы обзора пространства, могут одновременно работать в режимах регулярного обзора (поиска) и сопровождения целей, в специальных режимах, таких как распознавание класса целей по сигнальным признакам, реализовать быстрое взятие высокоскоростных целей на сопровождение, высокий темп сопровождения высокоскоростных и маневрирующих целей и т.д., обеспечивая тем самым повышение качества радиолокационной информации при работе в сложной целевой и помеховой обстановке.
Для реализации функциональных возможностей в МРЛС должна быть, во-первых, решена задача оптимального распределения временного ресурса между возможными режимами ее работы, такими как обнаружение (поиск) целей, сопровождение, распознавание, определения количественного состава групповой цели, «сверхразрешения» по трем пространственным координатам и радиальной скорости т.д., и, во-вторых, сокращены до минимума затраты времени на каждый из них.
Решение первой задачи зависит от условий работы, целевой и помеховой обстановки, потребителя информации и задаваемыми им приоритетами и является наиболее сложным.
Алгоритм распределения времени между различными режимами работы может быть фиксированным и исходить из некоторой заранее выбранной пропорции или адаптивным, учитывающим количество целей в зоне обзора, их пространственное распределение, решаемую задачу, потребителя радиолокационной информации.
Вместе с тем, независимо от алгоритма распределения времени между различными режимами работы при практической реализации МРЛС необходимо обеспечить такой способ обзора пространства, чтобы при переходе из одного режима работы в другой (например, из режима поиска в режим сопровождения и обратно) функция непрерывного обзора не нарушалась, чтобы исключить возникновение не просматриваемых в режиме поиска участков пространства и, соответственно, пропусков целей.
При секторном обзоре пространства смена режимов работы может осуществляться просто последовательно во времени, когда, закончив просмотр сектора обзора в режиме поиска, РЛС переходит в режим сопровождения для завязки трассы вновь обнаруженных целей и уточнения координат высокоскоростных и маневрирующих целей. При этом период обзора делится между режимами поиска и сопровождения в некоторой пропорции.
При секторном обзоре пространства может быть реализован и другой способ распределения времени, когда обзор прерывается и луч направляется на вновь обнаруженную цель для завязки трассы, а затем возвращается в ту же точку зоны обзора, где процесс поиска был прерван, для его продолжения, при этом пропусков в зоне обзора не возникает, поскольку взаимное положение плоскости антенны и сектора обзора не изменяется.
В режиме же кругового обзора реализация многофункциональной работы с одновременным обеспечением функции непрерывного обзора наталкивается на значительные трудности, обусловленные жестким ограничением времени, в течение которого вращающаяся РЛС может облучать какой-либо участок зоны обзора по азимуту.
Многофункциональная РЛС подробно описана в [1] и представляет собой одну вращающуюся АФАР с электронным управлением положением диаграммы по углу места и азимуту. При работе в режиме кругового обзора обзор по азимуту в данной РЛС осуществляется за счет механического вращения антенны, а для обзора по углу места используют ступенчатый способ обзора, представляющий собой круговой обзор при неизменном угле места луча на данном обороте антенны и ступенчатое изменение угла места луча в начале каждого оборота антенны. При этом для обеспечения требуемого темпа обзора пространства в несколько (в 5-10) раз повышают скорость вращения антенны по азимуту.
Для измерения координат целей по азимуту и углу места используется моноимпульсный метод. Для обеспечения многофункциональной работы с распределением ресурсов функции обнаружения оптимизируются независимо от функций сопровождения.
Процесс обнаружения цели и захват ее на сопровождение производится следующим способом. В процессе обзора начальное обнаружение превышения сигнала над порогом вызывает повторное направление луча в точку с координатами, где произошло обнаружение. Для этого используется возможность электронного сканирования антенны по углу места и азимуту. Если обнаружение подтверждается, то луч на ту же цель может быть направлен в третий раз. Такая последовательность наблюдений обеспечивает начало сопровождения с очень высокой степенью достоверности и в течение короткого времени, меньшего времени половины оборота антенны.
В процессе сопровождения МРЛС обеспечивает экстраполяцию положения сопровождаемой цели и направляет лучи точно в ее экстраполированное положение, что позволяет обновлять данные сопровождения с высокой эффективностью.
Кроме кругового обзора за счет механического вращения антенны эта РЛС может работать в выбранном секторе при остановленной антенне за счет электронного сканирования, что повышает ее функциональные возможности.
В [1, стр. 214-216] описаны также аналогичные радиолокаторы этого класса (VSTAR-PT, LASR, FLEXAR), которые тоже имеют одну вращающуюся ФАР с электронным управлением положением диаграммы по углу места и азимуту и используют ступенчатый способ обзора по углу места.
Всем этим радиолокаторам присущ принципиальный недостаток: при отскоке диаграммы с витка обзора на угол места сопровождаемой цели для измерения ошибок сопровождения в зоне обзора образуется пропуск. Число пропусков пропорционально числу сопровождаемых целей. Непрерывность обзора пространства нарушается, что делает вероятным пропуск цели. Если радиолокатор обращается к сопровождаемой цели на каждом обороте антенны, то цели, находящиеся на азимуте сопровождаемой цели, но на других углах места, обнаружены не будут. Положение усугубляется еще тем, что при обнаружении цели не измеряется ее дальность и поэтому требуется повторное, на следующем обороте антенны, зондирование обнаруженной цели сигналом с однозначной дальностью для определения ее дальности.
Таким образом, функция непрерывного обзора пространства и обнаружения цели не выполняется.
Кроме того, необходимая для реализации ступенчатого обзора высокая скорость вращения антенны может быть реализована только в РЛС коротковолнового диапазона, имеющих небольшие размеры антенны. Так, РЛС [1] реализована в S диапазоне, имеет размеры антенны 3,05 м × 4,57 м и вращается со скоростью 20 об/мин. РЛС FLEXAR реализована в X диапазоне, имеет круглую антенну диаметром 1 м и вращается со скоростью 60 об/мин.
Вместе с тем в радиотехнических подразделениях широко используются РЛС L и VHF (метрового) диапазонов, площади антенных решеток которых достигают десятков и даже сотен квадратных метров. В таких РЛС реализация скорости вращения антенны выше 6-12 об/мин наталкивается на значительные технические сложности, обусловленные большой инерционностью РЛС L и VHF диапазонов. Реализация же ступенчатого обзора при достижимой в данных РЛС скорости вращения антенны приведет к недопустимому увеличению времени обзора.
Таким образом, еще одним недостатком данного способа обзора является его ограниченное применение в радиолокационных системах.
В [2] для обеспечения непрерывного обзора пространства предложена вращающаяся радиолокационная система, состоящая из двух быстровращающихся одномерных ФАР с электронным управлением диаграммой только в одной, угломестной плоскости и ступенчатым обзором пространства. При этом одна антенна выполняет функцию обзора пространства и обнаружения целей, а вторая осуществляет измерение координат и сопровождение обнаруженных целей. Для уменьшения стоимости системы антенные решетки выполнены в виде одномерных ФАР, которые значительно дешевле двухмерных.
Поскольку задачи обнаружения и сопровождения решаются разными антеннами, функция непрерывного обзора пространства и обнаружения цели при одновременном их сопровождении не нарушается.
Недостатком данного способа является то, что темп сопровождения данной РЛС с одномерным сканированием фиксирован и определяется скоростью вращения антенны, что приводит к низкой точности сопровождения скоростных и маневрирующих целей.
Другим недостатком является большое время завязки трассы по вновь обнаруженным целям, поскольку для начала сопровождения по критерию «n из m» [3] необходимо выполнить несколько последовательных обзоров требуемого пространства с темпом, соответствующим темпу вращения антенны.
Еще одним недостатком данного способа обзора является его ограниченное применения в радиолокационных системах, поскольку в L и VHF диапазонах двухантенная система будет иметь значительные массогабаритные характеристики, не позволяющие разместить ее на шасси автомобиля или полуприцепа.
В [4] для уменьшения времени завязки трассы используются две антенны с двумерным электронным сканированием, позволяющие после обнаружения цели осуществить повторное направление луча в точку с координатами, где произошло обнаружение. Если обнаружение подтверждается, то луч на ту же цель может быть направлен в третий раз. Это позволяет осуществить завязку трассы по новой цели в течение короткого времени, меньшего времени половины оборота антенны.
Однако данному способу обзора присущ упомянутый выше недостаток ограниченного применения в дециметровом и метровом диапазонах, обусловленный как высокой скоростью вращения антенны, так и большими габаритами антенно-мачтового устройства из-за наличия двух антенных решеток.
Другим недостатком данного способа является высокая стоимость используемой для его реализации антенной системы, состоящей из двух ФАР с двумерным электронным сканированием.
В качестве ближайшего аналога взят способ обзора пространства [1].
Предлагаемое изобретение направлено на решение следующей задачи: построение локатора, аналогичного [1], но который обеспечивает непрерывность функции обзора пространства и обнаружения целей и одновременно функции точного сопровождения целей, а также уменьшение времени завязки трассы и повышение точности сопровождения высокоскоростных и маневренных целей.
Техническим результатом является непрерывный обзор пространства и обнаружение целей при одновременном их сопровождении с уменьшением времени завязки трассы и повышением точности сопровождения высокоскоростных и маневренных целей при отсутствии ограничений на диапазон, в котором реализуется АФАР.
Суть предлагаемого способа радиолокационного обзора пространства состоит в следующем.
Используют одну вращающуюся антенну с электронным сканированием по азимуту и по углу места.
n
с
Для реализации непрерывного обзора пространства и обнаружения целей при одновременном их сопровождении всю зону обзора по азимуту разбивают на одинаковые сектора размером В градусов. Время Т, в течение которого нормаль антенны проходит каждый сектор размером В, делится на 2 части: время поиска Т, отводимое на поиск целей в данном секторе, и время сопровождения Т, отводимое на завязку трассы новых и сопровождение высокоскоростных и маневрирующих целей из этого же сектора.
Соотношение между этими временами может выбираться одинаковым для каждого сектора, исходя из некоторой пропорции (например, 80% от времени Т отводится на режим поиска и 20% - на завязку трассы и сопровождение), или адаптивным, разным для каждого сектора, в зависимости от того, сколько ранее обнаруженных высокоскоростных и маневренных целей находится на сопровождении в данном секторе. Во втором случае при выборе соотношения между временами необходимо задаться возможным (некоторым) количеством новых целей, которые могут быть обнаружены при просмотре данного сектора в режиме поиска, для завязки по ним трассы, или необходимо предусмотреть определенный запас времени для завязки трассы по некоторому количеству вновь обнаруженных целей.
При вращении РЛС и переходе нормали к плоскости антенны из сектора в сектор режимы поиска и сопровождения чередуются друг с другом во времени.
n
Просмотр сектора размером В в режиме поиска за время Т, меньшее, чем время Т, за которое нормаль к антенной решетке повернется на угол В, реализуется за счет электронного сканирования лучом с одновременным механическим вращением антенны следующим образом.
При совпадении нормали к антенной решетке с азимутом начала очередного азимутального сектора луч антенны начинает его просмотр в режиме поиска, при этом за счет электронного сканирования реализуется скорость перемещения луча, большая, чем скорость механического вращения антенны. То есть луч антенны за счет электронного сканирования движется в режиме поиска от начала данного сектора к его концу быстрее, чем нормаль антенной решетки, и за счет большей скорости достигнет конца данного азимутального сектора раньше, чем нормаль к плоскости антенной решетки.
Оставшееся время до момента, когда нормаль к антенной решетке достигнет азимута, соответствующего концу данного сектора, используется для быстрой завязки трассы новых целей, обнаруженных при просмотре этого сектора в режиме поиска, а также для более точного сопровождения обнаруженных ранее и уже находящихся на сопровождении высокоскоростных и маневренных целей за счет электронного откидывания луча в обратном вращению антенны направлении.
Завязка трассы производится путем повторного направления луча в точку с координатами, где при просмотре данного сектора в режиме поиска произошло обнаружение новой цели. Если обнаружение подтверждается, то луч на ту же цель направляется в третий раз. Это позволяет осуществить завязку трассы по новой цели в течение короткого времени.
Для сопровождения выбирают цели, представляющие интерес с точки зрения решаемой задачи, прежде всего высокоскоростные и маневрирующие. По этим целям обеспечивают экстраполяцию их положения на момент обращения и направляют луч в экстраполированное положение, осуществляя неоднократное обращение к цели в течение времени нахождения ее в данном секторе, обеспечивая тем самым более точное измерение координат их движения. Остальные цели сопровождаются на проходе в процессе просмотра сектора в режиме поиска, при котором реализуется параллельный обзор пространства. Для этого в угломестной плоскости формируется широкий (например, косекансный) луч на передачу и перекрывающий его набор узких лучей на прием. Измерение ошибок сопровождения по этим целям осуществляется при проходе диаграммы антенны через направление на цель известными способами: по дальности - по центру "тяжести" импульса сигнала в полустробах дальности, по азимуту - по центру "тяжести" огибающей сигнала в полустробах азимута, по углу места - методом отношения парциальных лучей в угломестной плоскости. Работа по целям в режиме сопровождения при завязке трассы и уточнении координат осуществляется узким лучом с моноимпульсным измерением азимута и угла места.
В момент времени, когда нормаль к плоскости антенны достигнет азимута, соответствующего концу текущего азимутального сектора (и, соответственно, началу следующего сектора), РЛС опять переходит в режим поиска в пределах следующего сектора за счет ускоренного электронного сканирования с последующим просмотром этого сектора в режиме сопровождения и т.д.
Размер В сектора по азимуту равен максимальному отклонению луча по азимуту в одну сторону, чтобы, дойдя в режиме поиска до конца сектора и перейдя в режим сопровождения, РЛС успела повторно обратиться к новой цели, если она была обнаружена в начале сектора, для быстрой завязки трассы. Например, при секторе электронного сканирования ±60° размеры сектора будут составлять величину 60°.
Скорость электронного сканирования при просмотре сектора в режиме поиска определяется временем, выделяемым на режим сопровождения. При фиксированном соотношении времени поиска и сопровождения, равном, например, 80% и 20%, скорость электронного просмотра сектора должна быть в 1,25 раза выше, чем скорость механического вращения антенны.
При адаптивном распределении времени обзора, индивидуальном для каждого сектора, учитывающем количество находящихся на сопровождении в данном секторе целей, скорость электронного просмотра данного сектора будет определяться соотношением времени поиска и сопровождения, назначенного индивидуально для данного сектора.
Так, переходя из сектора в сектор, РЛС без пропусков осматривает всю зону обзора в режиме поиска с одновременным сопровождением, осуществляя быструю завязку трассы по вновь обнаруженным целям и уточняя вектор скорости по высокоскоростным и маневренным целям.
Таким образом, желаемый технический результат достигнут. Функция непрерывного обзора пространства и обнаружения при одновременном сопровождении целей не нарушается, реализуется быстрая завязка трассы по вновь обнаруженным целям и более точное сопровождение высокоскоростных и маневренных целей.
Источники информации
1. Д.А. Этингтон, П.Дж. Карилас, Дж.Д. Райт. Многофункциональные вращающиеся РЛС с электронным сканированием для обзора воздушного пространства. ТИИЭР, том 73, №2, февраль, 1985. М.: Мир. Стр. 199-213 - прототип.
2. Патент РФ на изобретение №2274875, МПК G01S 13/04, 13/44, опубл. 20.04.2006.
3. О.З. Кузьмин. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации. М.: Сов. радио, 1974. С. 121-122.
4. Патент РФ на изобретение №2478981, МПК G01S 13/44, опубл. 10.04.2013.