Радиолокационный способ обнаружения малозаметных целей в импульсно-доплеровской РЛС с ФАР
RADAR METHOD OF DETECTING LOW-VISIBILITY TARGETS IN PULSE-DOPPLER RADAR STATION WITH PAA

Изобретение относится к методам радиолокационного обнаружения малозаметных целей, в том числе БПЛА, ракет РСЗО, а так же наземных и надводных целей. Преимущественно способ может быть использован для получения специального многолучевого режима в типовой импульсно-доплеровской РЛС с пассивной ФАР, или для дополнительного кратного увеличения числа лучей в многолучевой РЛС с активной ФАР.
Известен способ радиолокационного обнаружения малозаметных целей [1], использующий область резонансного рассеивания падающей на объект электромагнитной волны, в которой имеет место произведение (2π/λ)⋅L≈1, где L - размер объекта или его характерной части, при этом ЭПР объекта может сильно возрастать относительно ЭПР этого объекта в обычно используемой в импульсно-доплеровских РЛС зоне отражения, на которой (2π/λ)⋅L>>1. Для попадания в резонансную область в каждом направлении пространства производят поиск по несущей частоте излучаемых радиоимпульсов пачек до обнаружения максимума эхо-сигнала от цели.
Недостатком данного метода является большой требуемый диапазон перебираемых несущих частот (от 150 мГц до 6 ГГц с шагом 10 МГц), для реализации которого не могут быть использованы обычные импульсно-доплеровские РЛС, в которых перестройка частоты может быть не более, чем ±15-20%. Кроме того, данный метод при поиске по частоте требует излучения большого числа пачек, что замедлит обзор пространства.
Известен способ наблюдения малозаметного малоскоростного БПЛА в области городской застройки, использующий технологию сверхкороткой импульсной радиолокации [2]. Преимуществом данной технологии является высокая разрешающая способность по дальности за счет короткого радиоимпульса (длительность 10 нс и менее), минимум боковых лепестков по дальности, за счет использования простого сигнала, и возможность проводить селекцию движущейся цели путем межкадровой обработки, без использования эффекта Доплера, следовательно, без наличия «слепых» скоростей.
4
Однако данный метод из-за присущей ему большой скважности зондирующих импульсов (порядка 10) сложно использовать для обнаружения малоразмерных целей на дальности порядка 10-15 км, наряду с другими, более скоростными целями, что требуется в комплексах военного назначения. По этой же причине данный метод не может быть реализован как режим в современных твердотельных импульсно-доплеровских РЛС, работающих на скважностях порядка 10…40.
пач
Известен способ увеличения времени накопления (время пачки Т) с сохранением темпа обзора пространства в импульсно-доплеровской РЛС с пассивной ФАР за счет расширения ДНА антенны на прием и передачу [3].
ϕ
Недостатком этого метода является то, что при расширении телесного угла ДНА на уровне 3 дБ в n раз, во столько же раз ухудшается телесное разрешение РЛС, а так же в  раз уменьшается дальности обнаружения РЛС, что следует из основного уравнения радиолокации.
л.а
Известен многолучевой способ обнаружения в импульсно-доплеровской РЛС с полуактивной или активной ФАР с цифровым диаграммообразованием [4.]. По этому способу на передачу с помощью передающей антенны или ФАР формируется расширенный луч, в пределах которого на прием с помощью активной приемной ФАР, многоканального радиолокационного приемника и устройства цифрового диаграммообразования формируются несколько узких приемных лучей, которые обрабатываются отдельно типовым для импульсно-доплеровских РЛС способом. В таких РЛС за счет параллельной обработки N лучей во столько же раз увеличивается время накопления сигналов цели при сохранении темпа обзора, дальности обнаружения цели и углового разрешения цели.
Недостатки данного способа следующие:
- метод не может быть реализован в РЛС с пассивной ФАР, составляющих большинство современных РЛС с ФАР, в том числе РЛС ЗРК;
- РЛС с активной или полуактивной ФАР с цифровым диаграммообразованием намного сложнее и дороже, чем РЛС с пассивной ФАР;
- направления приемных лучей в многолучевой РЛС с активной или полуактивной ФАР не могут быть произвольными. Они должны располагаться только в пределах расширенного передаваемого луча;
- в многолучевых РЛС с активной или полуактивной ФАР имеет место неоднозначное измерение дальности, что требует дополнительных посылок с другим периодом импульсов для подтверждения обнаружения малозаметных целей, находящихся в ближней зоне дальности;
л.а
- количество лучей N в РЛС с активной или полуактивной ФАР ограничено ее аппаратной структурой и возможной величиной потока обрабатываемых данных.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является типовой однолучевой способ импульсно-доплеровского радиолокационного обнаружения в РЛС с пассивной ФАР [5, С. 186], который является прототипом.
На фиг. 1 показана структура импульсно-доплеровской РЛС с пассивной ФАР, в которой часть, выделенная пунктиром, соответствует типичному однолучевому импульсно-доплеровскому способу обнаружения, взятому за прототип.
Ф
Ф
Ф
ф
и
На фиг. 1 обозначено: 1 - сдвиговой регистр разрядностью М; 2 - параллельный регистр разрядностью М; 3 - дискретный фазовращатель разрядностью М, общее число фазовращателей соответствует числу излучателей N=N; 4 - система управления лучом (СУЛ); 5 - распределитель мощности; 6 - антенный переключатель; 7 - передатчик; 8 - одноканальный радиолокационный приемник; 9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 10 - преобразователь частоты с промежуточной на видеочастоту и оптимальный для приема полезного сигнала (согласованный) фильтр; 11 - ОЗУ и распределитель отсчетов; 12 - вычислители быстрого преобразования Фурье (БПФ); 13 - пороговые обнаружители; 14 - синхронизатор; 15 - центральная вычислительная система (ЦВС). Элементы 12 и 13 образуют систему селекции движущихся целей (СДЦ). С1 - синхроимпульс записи в регистры сдвигов фазовращателей; С2 - синхроимпульс перезаписи фаз в параллельный регистр фазовращателей; С3 - импульс запуска зондирующего импульса передатчика; С4 - импульс тактирования приемника; С5 - импульсы тактирования АЦП; С6 - импульсы тактирования транспонатора; С7 - импульсы начала пачки.
На фиг. 2 показаны временные диаграммы типичной реализации способа, взятого за прототип.
Однолучевой способ импульсно-доплеровского радиолокационного обнаружения в РЛС с пассивной ФАР, взятый за прототип, реализуется следующим образом.
ф
i
ф
R
Перед началом каждой n-ной пачки ЦВС задает в СУЛ единственное направление луча α[n]={угол места, азимут}. В СУЛ по зависимостям [5, С. 613] производят расчет фаз для всех N фазовращателей ϕ(α[n]), где i=1, 2…N, которые записывают в сдвиговой регистр каждого i-того фазовращателя и синхроимпульсом начала пачки С2 переписывают в параллельный регистр этих фазовращателей и подают на входы самих фазовращателей. В течение всей n-ной пачки коды фаз фазовращателей остаются неизменными. Следовательно, в течение пачки все зондирующие импульсы посылают в одном направлении и все эхо-сигналы принимают с этого же направления. Соответственно и в распределителе 11 производят разделение всех отсчетов зхо-сигналов на видеочастоте по N каналам дальности, в каждом из которых в блоке 12 производят БПФ, а в блоке 14 проводят пороговое обнаружение цели.
Главным недостатком однолучевого способа обнаружения, взятого за прототип, при его применении для малозаметных малоскоростных целей типа БПЛА, является трудность разрешения двух противоречивых требований. Первое требование: для обеспечения возможности селекции малоскоростной цели на фоне пассивных помех от земли и метеообразований, а также улучшения разрешения целей по скорости необходима большая длительность пачки когерентных импульсов. Второе требование: ввиду большой маневренности целей типа БПЛА нужна высокая скорость обзора пространства.
Кроме того, при использовании однолучевого импульсно-доплеровского способа обнаружения имеет место влияние помех, возникающих при отражении сигналов от участков местности и целей, расположенных за пределами однозначного определения дальности, в том числе возможных помех из-за явления сверхрефракции, характерных для обзора надводной обстановки. В результате измерение дальности по одной пачке неоднозначно и для подтверждения обнаружения малозаметных целей, находящихся в ближней зоне дальности, требуются дополнительные посылки с другим периодом импульсов.
Однолучевому импульсно-доплеровскому методу, взятому за прототип, особенно при его использовании в современных РЛС, имеющих твердотельный передатчик с малой скважностью, присущ еще один недостаток. Он заключается в трудности разрешения двух противоречивых требований. Первое требование: для обеспечения большой дальности обнаружения малозаметных целей с хорошим разрешением по дальности требуется использовать сложный зондирующий сигнал, имеющий большую длительность. Второе требование: ввиду большой маневренности целей типа БПЛА, нужно обеспечить малую минимальную дальность их обнаружения, что возможно только при простом зондирующем импульсе, имеющем малую длительность.
Техническим результатом изобретения является улучшение эффективности импульсно-доплеровской РЛС с ФАР при работе по малозаметным и малоскоростным объектам. Для достижения этого ставится следующая базовая задача изобретения - разработка способа, позволяющего придать известному однолучевому способу работы импульсно-доплеровской РЛС с пассивной ФАР, взятому за прототип, нового свойства - свойства получения в течении пачки множества лучей. Решение этой базовой задачи так же позволяет в типовой многолучевой РЛС с АФАР, взятой за аналог, кратно увеличить число лучей, не увеличивая при этом общий поток обрабатываемых данных эхо-сигналов.
Конкретно в известном радиолокационном способе обнаружения малозаметных целей в импульсно-доплеровской РЛС с ФАР, в котором с помощью передатчика и системы управления лучом ФАР осуществляют передачу зондирующих импульсов, а с помощью одноканальных, последовательно соединенных приемника, аналого-цифрового преобразователя, преобразователя эхо-сигнала на видеочастоту, оптимального фильтра, распределителя отсчетов эхо-сигналов по отдельным каналам и системы селекции движущихся целей осуществляют обнаружение движущихся целей, отличающийся тем, что с помощью системы управления лучом ФАР в течение пачки зондирующих импульсов перед каждым зондирующим импульсом с циклом, равным числу образующихся в течение пачки лучей, меняют направления передаваемых и принимаемых лучей ФАР, распределителем отсчетов эхо-сигналов на видеочастоте распределяют отсчеты как по каналам лучей, в соответствии с направлением лучей в данном периоде зондирующих импульсов, так и по каналам дальности в каждом из каналов лучей, системой селекции движущихся целей, имеющей число каналов, равное произведению числа лучей на число каналов дальности, производят обнаружение движущихся целей и устанавливают при этом период импульсов передатчика, соответствующим инструментальной дальности РЛС.
Кроме того, при одном направлении передающих и приемных лучей зондирующий импульс разбивают на два зондирующих импульса, первый из которых простой, малой длительности, соответствующей заданной минимальной дальности цели и требуемому разрешению по дальности, второй импульс - сложный, большой длительности, соответствующей заданной максимальной дальности обнаружения цели и требуемому разрешению по дальности, устанавливают интервал между зондирующими импульсами больше или равным длительности второго импульса, при этом при приеме на интервале между зондирующими импульсами производят оптимальную для первого импульса обработку эхо-сигнала, а на интервале после второго импульса до конца периода производят оптимальную для второго импульса обработку эхо-сигнала, и по результатам обработки обнаруживают движущуюся цель.
За счет решения указанной базовой задачи работа РЛС по малозаметным малоскоростным целям будет свободна от перечисленных выше недостатков прототипа и аналогов. Решение базовой задачи позволит получить следующие положительные технические результаты, делающие предлагаемый метод эффективным:
1) возможность увеличения времени когерентного накопления сигнала от цели (времени пачки), требуемого для селекции малоскоростных целей на фоне пассивных помех, с сохранением дальности обнаружения целей и скорости обзора пространства;
2) возможность улучшения разрешения целей по скорости (возможность получения «скоростной лупы»), требуемого для селекции целей в составе группы, распознавания типа целей и других задач, с сохранением дальности обнаружения целей и скорости обзора пространства;
3) возможность оперативного увеличения скорости обзора пространства с сохранением длительности пачки. Эта возможность позволяет увеличить диапазон целевой нагрузки, которую может выдержать РЛС;
4) возможность по одной пачке однозначно измерять дальность цели и практически исключить влияние помехи, возникающей при отражении сигналов от участков поверхности, расположенных за пределами однозначного определения дальности, в том числе помехи из-за явления сверхрефракции, характерного для обзора надводной обстановки (так называемые помехи на n-м ходе развертки [6]);
5) возможность в одном периоде излучения совместить работу с зондирующим сигналом, оптимальным для обеспечения заданных требований по минимальной дальности обнаружения и разрешению целей, и работу с другим зондирующим сигналом, оптимальным для обеспечения заданных требований по максимальной дальности обнаружения и разрешению целей.
Сущность изобретения поясняется с помощью схем, где:
- на фиг. 1 показана структура импульсно-доплеровской РЛС с пассивной ФАР, в которой реализуется заявляемый многолучевой способ. Часть структуры, выделенная пунктиром, соответствует типичному однолучевому импульсно-доплеровскому способу с пассивной ФАР, взятому за прототип;
- на фиг. 2 - временные диаграммы типовой реализации способа, взятого за прототип;
- на фиг. 3 - временные диаграммы реализации заявляемого многолучевого способа обнаружения малозаметных целей;
- на фиг. 4 - временные диаграммы реализации требования совмещения в одной пачке малой минимальной дальности и большой максимальной дальности обнаружения малозаметных целей с помощью заявляемого многолучевого способа;
- на фиг. 5 - амплитудно-частотные характеристики фильтров СДЦ при использовании однолучевого способа обнаружения, взятого за прототип, и при использования заявляемого многолучевого способа, а также энергетические спектры пассивных помех местности при ветре, имеющем различную скорость;
- на фиг. 6 - результаты оптимальной обработки эхо-сигналов от цели при излучении зондирующих импульсов, показанных на фиг. 4.
Отличия от прототипа при работе по предполагаемому пачечному многолучевому способу состоят в следующем:
л
j
л
i
j
ф
л
ф
л
- перед началом каждой n-ной пачки от ЦВС 15 передают в СУЛ 4 задание не на одно направление луча, как в прототипе на фиг. 2, а на все N направлений данной многолучевой пачки α[n] где j=1, 2…N. Соответственно, в СУЛ 4 перед началом каждой n-ной пачки производят вычисление и хранение значений фаз ϕ(α[n] для всех N фазовращателей при всех N направлениях луча, где i=1, 2…N, j=1, 2…N
1
2
Nл
1
2
Nл
1
2
Nл
j
ф
i
j
ф
- в течение пачки с помощью СУЛ 4 от импульса к импульсу изменяют направление зондирующего и принимаемого луча в следующем циклическом порядке α, α, …α, α, α, …α, …α, α, …α. При этом установку на очередном периоде импульсов передатчика требуемого направления луча α[n] производят путем записи в течение предыдущего периода в регистры всех N фазовращателей вычисленные фазы ϕ(α[n], где i=1, 2…N и установки этих фаз в фазовращателях перед зондирующим импульсом данного периода.
R
л
- при обработке принимаемых эхо-сигналов распределителем 11 распределяют отсчеты сигнала не только по N каналам дальности, как в прототипе, но и по N каналам направлений лучей;
СДЦ
R
СДЦ.П
R
л
- селекцию движущихся целей производят системой СДЦ, имеющей  число каналов N=Nл*N, чем число каналов системы СДЦ прототипа N=N. При этом каждый канал СДЦ такой же, как в прототипе (состоит из вычислителя БПФ 12 и порогового обнаружителя 13). В результате в одной пачке производят обнаружение целей на однозначной дальности по N лучам, имеющим разное направление, вместо одного луча, как в прототипе.
i
i
1
2
Nл
1
2
Nл
1
2
Nл
Таким образом, в пассивной ФАР работу по предлагаемому способу организуют за счет осуществляемого с помощью СУЛ 4 быстрого переключения направления луча α перед каждым зондирующим импульсом в течение пачки. При этом в течение пачки направления луча α от импульса к импульсу устанавливаются в следующем циклическом порядке α, α, …α, α, α, …α, … α, α…α. Поэтому, в отличие от известного многолучевого способа активной ФАР, взятого выше в качестве аналога, при котором каждый эхо-сигнал принимается антенной с многолучевой ДНА, по предлагаемому способу многолучевой режим является пачечным, т.к. он поэлементно формируется в течение всей пачки зондирующих импульсов.
i
пач
п
и
и
п
п
и
п
и
п
пач.п
и
п
В предлагаемом пачечном многолучевом режиме каждое направление α, определяемое своим азимутом и углом места, может быть произвольным. Передатчик 7 работает в штатном режиме, вырабатывая в течение пачки длительностью Т. на несущей частоте простые или сложный зондирующие импульсы с требуемой внутриимпульсной модуляцией, длительность импульсов t, периодом импульсов Т., скважность Q=Т./t и количество импульсов N=T/Т..
1
2
Nл
Прием эхо-сигналов в течение пачки производят, как в типовом однолучевом режиме импульсно-доплеровской РЛС [4, С. 186], с помощью одноканальных приемника 8, АЦП 9 и оптимальных (согласованных с полезным сигналом) фильтров сжатия 10. После чего распределителем 11 производят разделение временных отсчетов обработанных эхо-сигналов по каналам направлений лучей α, α, …α и отдельно для каждого направления принимаемого луча по каналам дальности. Далее для каждого направления луча, в каждом канале дальности, аналогично, как в типичном однолучевом режиме, производят в вычислителе БПФ 12 спектральный анализ сигналов и в пороговом обнаружителе 13 обнаружение целей на фоне помех. Прием эхо-сигналов в течение пачки поясняется также на временной диаграмме фиг. 3.
и.п
Отсюда вытекает, что в предлагаемом пачечном многолучевом режиме после излучения очередного зондирующего импульса по его направлению приемный луч будет направлен только в течение времени одного периода импульсов передатчика (по терминологии [5] 1-го «хода развертки»), после чего приемный луч меняет направление и восстанавливает направление, совпадающее с направлением зондирующего луча только на (Nл+1)-вом «ходе развертки». Поэтому в приемник без подавления попадают эхо-сигналы с заданного направления только от интервала дальности ΔR=c*Т/2, соответствующего ее однозначному измерению. Сигналы поступающие с этого же направления, с интервала такой же длины ΔR, но расположенного на значительно большей дальности, равной (Nл*ΔR), также будут иметь большое подавление, пропорциональное четвертой степени дальности, что практически исключает их влияние.. Возможные эхо-сигналы, поступающие с других (предыдущих) направлений данной пачки, будут существенно ослаблены, т.к. поступают на вход через боковые лепестки ДНА и с дальности, большей, чем ΔR. Этим объясняется достижение четвертого из указанных выше технических результатов изобретения.
и
и
u
и
и
и.п
л
л
Достижение пятого из указанных выше технических результатов изобретения также является следствием того, что практически в приемник попадают эхо-сигналы только от интервала дальности, соответствующего однозначному ее измерению. Если требуется в одной пачке совместить заданные требования малой минимальной и большой максимальной дальности обнаружения малозаметной цели типа БПЛА и др., то при использовании предлагаемого метода в течение одного периода зондирующих импульсов при одном направлении передающего и приемного луча, как поясняется на фиг. 4, зондирующий импульс разбивают на два импульса: первый импульс простой, малой длительностью t1, соответствующий заданным минимальной дальности обнаружения цели и разрешению по дальности, а второй импульс сложный, большой длительностью t2, соответствующий требуемой максимальной дальности обнаружения цели и разрешению по дальности. Интервал между импульсами должен быть τ1≥t2. При приеме на интервале t1 сигнал блокируют, в интервале τ1 между импульсами производят оптимальную для первого импульса (согласованную с первым импульсом) фильтрацию, на интервале t2 сигнал блокируют, а на интервале τ2 производят оптимальную для второго импульса (согласованную со вторым импульсом) фильтрацию. При такой обработке эхо-сигналы от первого импульса практически могут обнаруживаться только на интервале τ1, где их обрабатывают «своим» согласованным фильтром. При этом эхо-сигналы от второго импульса практически не влияют, т.к. они приходят с очень большой дальности, соответствующей задержке T*N, где N - число лучей и подавляются фильтром сжатия, не согласованным с ними.
Эхо-сигналы от второго импульса могут обнаруживаться только на интервале τ2, где их обрабатывают «своим» согласованным фильтром, т.к. на этом интервале сигналы от первого импульса малы по мощности и подавляются фильтром сжатия, не согласованным с ними.
j
л
Nл
пач
пач
п
Согласно описанному выше, в предлагаемом пачечном многолучевом способе с каждого направления α (j=1, 2…Nл) на прием получают пачку эхо-сигналов с параметрами, указанными в табл. 1. В этой же таблице, для сравнения, показаны параметры эхо-сигналов в эквивалентных по темпу обзора N однолучевых пачках, имеющих те же направления α1, α2, …α, но меньшую длительность, равную Т=Т./Nл. Такие пачки имеют место при использовании способа, взятого за прототип.
Согласно табл. 1, а также фиг. 2 и фиг. 3 можно произвести сравнения предлагаемого пачечного многолучевого способа с эквивалентными по скорости зондирования Nл однолучевыми пачками прототипа по следующим основным показателям [5].
пач
л
1) При использовании предлагаемого пачечного многолучевого способа время когерентного накопления сигнала от цели (длительность пачки Т), в N раз больше, чем в эквивалентных по скорости зондирования однолучевых пачках прототипа. Это главное преимущество предлагаемого многолучевого способа.
пач
л
2) При использовании предлагаемого пачечного многолучевого способа разрешение по скорости, равное δV=λ/(2T), где λ - длина волны РЛС в N раз лучше (δV меньше) чем в эквивалентных по скорости зондирования однолучевых пачках прототипа.
Tпач
1/4
3) При использовании предлагаемого пачечного многолучевого способа дальность обнаружения, равная R=m⋅(/Q), где m - коэффициент пропорциональности, такая же, как в эквивалентных по скорости обзора однолучевых пачках прототипа.
и
л
4) Период неоднозначности по скорости, равный ΔV=λ/(2Т), при использовании предлагаемого пачечного многолучевого способа в N раз меньше, чем в эквивалентных по скорости зондирования однолучевых пачках прототипа. Для малоскоростных целей типа БПЛА этот недостаток не является существенным, т.к. их скорость все равно измеряется однозначно. Для более скоростных целей этот недостаток также не является принципиальным, т.к. для них разрешение неоднозначности по скорости в многолучевом режиме может производиться по известному методу [5], с использованием посылок завязки с другим периодом импульсов.
л
4
5) При использовании предлагаемого пачечного многолучевого способа помехи от целей, расположенных вне однозначной дальности, могут поступать только с «(Nл+1)-вого хода развертки»., а в эквивалентных однолучевых пачках уже начиная со второго «хода развертки». Соответственно подавление таких помех в пачечном многолучевом режиме будет, как минимум в (N) раз, больше, чем эквивалентных по скорости обзора однолучевых пачках, и практически их влияние будет не сказываться.
и.п
6) При использовании предлагаемого пачечного многолучевого способа дальность ΔR=c*Т/2 равна максимально возможной (инструментальной) дальности работы РЛС, а в эквивалентных по скорости обзора однолучевых пачках дальность ΔR равна периоду неоднозначности по дальности и при этом инструментальная дальность может быть больше. Для малозаметных целей, для которых предназначается изобретение, этот недостаток не является существенным т.к. дальность их обнаружения все равно меньше, чем дальность ΔR. С другой стороны, принципиальное ограничение дальности одним периодом неоднозначности во многих случаях можно рассматривать как уникальное преимущество пачечного многолучевого метода, позволяющее в данном режиме по одной пачке однозначно измерять дальность цели и практически исключить помехи, возникающих при отражении сигналов от участков поверхности, расположенных за пределами однозначного определения дальности, в том числе помехи из-за явления сверхрефракции, характерные для надводных целей.
п
7) Все N направлений обзоров в одной пачке при предлагаемом пачечном многолучевом способе могут быть любые, как и в эквивалентных однолучевых пачках. Однако этим свойством не обладает, взятая за аналог многолучевая РЛС с активной ФАР.
л
л
и.п
С другой стороны, с помощью предлагаемого пачечного многолучевого способа может быть в N раз увеличена скорость обзора пространства при сохранением длительности пачки, т.е достигнут третий, из указанных выше результатов. В случае появления большого потока целей и ложных объектов, требующих дополнительных лучей для завязки и автосопровождения целей, переходы на многолучевую посылку позволят сохранить общее время цикла обзора заданного пространства. Пачки при предлагаемом многолучевом способе и равные им по длительности однолучевые пачки имеют одинаковое разрешение по скорости и могут конвейерно обрабатываться при любом их чередовании. Однако, при этом дальность обнаружения целей в многолучевой пачке в  раз меньше, чем в равной ей по длительности однолучевой, что должно быть учтено в алгоритме управления. Например, при N=2 в 2 раза увеличится скорость обзора пространства, но при этом на 19% уменьшится дальность обнаружения и инструментальная дальность будет соответствовать только одному периоду импульсов передатчика Т.
Таким образом, все перечисленные выше положительные технические результаты предлагаемого метода достигнуты.
Пример 1 конкретного использования способа.
л
ф
п
и.п
БПФ
Рассмотрим использование предлагаемого пачечного многолучевого способа для получения в импульсно-доплеровской РЛС пассивной ФАР N=5 лучей. Параметры РЛС следующие: длина волны λ=10 см; число фазовращателей ФАР N=500; скважность зондирующих импульсов Q=10; период зондирующих импульсов Т=100 мкс; ширина канала дальности d=10 м; число точек вычислителя БПФ - N=128.
пач.п
ип
и
ип
л
БПФ
n
n
n
ф
ф
i
j
ф
Структура и временная диаграмма работы РЛС приведены на фиг. 1 и фиг. 3. Каждая пачка начинается выдачей синхронизатором в СУЛ импульса начала пачки С7. Длительность многолучевой пачки и соответственно период импульсов С7 составляет Т=N⋅Т=640*0,1=64 мс, где N=N*N=5*128=640 - число зондирующих импульсов в многолучевой пачке. В течение (n-1)-й многолучевой пачки от ЦВС РЛС в СУЛ по последовательному интерфейсу поступают данные по Nл=5 направлениям α1, α2…α5, по которым в следующей n-ной пачке должны быть выставлены лучи. Каждое направление луча α представляется его азимутом и углом места. После приема данных в СУЛ для каждого из Nл=5 направлений по известным зависимостям [5, С. 613] вычисляют в виде М-разрядного кода фазы всех N фазовращателей ϕ(α)[n], где j=1, 2…5 - номер направления луча, i=1, 2…N - номер фазовращателя; n - номер многолучевой пачки. Вычисления должны закончить до начала n-ной пачки и их результаты сохраняют в ОЗУ.
i
j
ф
Передача вычисленных фаз в соответствующие фазовращатели для n-ной пачки начинают сразу после окончания последнего зондирующего импульса предыдущей (n-1) пачки, поступившего после синхроимпульса начала пачки С7. Далее в течение каждого периода зондирующих импульсов n-ной пачки фазы ϕ(α)[n], соответствующие очередному j-тому направлению луча, передают из ОЗУ СУЛ в сдвиговые регистры каждого из i=1, 2…N фазовращателей. Затем перед каждым зондирующим импульсом с помощью единого синхроимпульса С2 фазы всех фазовращателей переписывают из их сдвиговых регистров в параллельные регистры и подают на входы управления фазовращателей.
и.п
Запись данных в сдвиговые регистры всех фазовращателей должна длится не более времени Т=100 мкс, равного периоду зондирующих импульсов на выходе передатчика 7. Для обеспечения этого требования эту запись можно производить параллельно в группы сдвиговых регистров.
ип
ип
k
mod5
Последовательность направлений j, для которых в очередном k-том (k=1, 2…N, N=640) периоде зондирующих импульсов многолучевой пачки производят описанную выше установку фаз в фазовращатели, следующая: j={1, 2, 3, 4, 5, 1, 2, 3, 4, 5, …1, 2, 3, 4, 5.}, т.е. j=(k-1)+1.
Для обеспечения непрерывной работы СУЛ его вычислитель должен обеспечивать возможность приема данных от ЦВС и вычисление фаз n-ной пачки одновременно с, описанной выше, записью фаз в фазовращатели в каждом периоде зондирующих импульсов (n-1)-вой многолучевой пачки.
и
и.п
л
ил
ип
л
и.п
На выходе распределителя 11 эхо-сигналы каждого из j=1, 2…5 лучей, принимаемых в течение пачки, имеют период зондирующих импульсов Т=Т⋅N=100*5=500 мкс. число импульсов пачке N=N/N=640/5=128, длительность интервалов приема эхо-сигналов луча Т=100 мкс.
R
мак
После конца интервала приема эхо-сигнала по данному направлению, эхо-сигнал с большей дальности в обработку не попадает, т.к. приемный луч устанавливается в направление, отличное от направления соответствующего зондирующего луча. На указанных интервалах приема эхо-сигналов каждого луча выделяются отсчеты N=R/d=1500 каналов дальности, в соответствии с принятой шириной каналов дальности d. В каждом канале дальности каждого луча производится вычисление 128 точечного БПФ, доплеровская фильтрация помех и пороговое обнаружение цели.
пач
л
и
и
м
и
и.п
.п
мин
и
мин
и.п
и
Таким образом, в данном примере по предлагаемому способу многолучевого режима в течение пачки длительностью Т=12,8*5=64 мс получено N=5 лучей с произвольными направлениями, с периодом импульсов Т=500 мкс, числом импульсов N=128, скважностью Q=10⋅5=50, и длительностью импульсов t=Т/Q=10 мкс, со сложным сигналом, например с ЛЧМ. Минимальная дальность работы РЛС при этом будет R=t*c/2=1500 м, а максимальная R=Т*с/2=15 км. Период неоднозначности по скорости ΔV=λ/(2Т)=100 м/с. При таком ΔV скорости всех современных БПЛА будет измеряться однозначно. Кроме того, будут обнаруживаться и почти все цели с большими скоростями, т.к. интервалы «слепых» скоростей, как будет показано ниже на фиг. 5, составляют всего примерно 2 м/с.
л
и
и
э
л
Как показано выше, по темпу обзора и дальности обнаружения полученный по предлагаемому способу пачечный многолучевой режим эквивалентен по скорости обзора N=5 однолучевым пачкам, в каждой из которых длительность Тпач=12,8 мс, период зондирующих импульсов Т=100 мкс, число импульсов N=128 и скважность передачи и приема Q=10. Произведем сравнение работы РЛС по примеру 1 в пачечном многолучевом режиме и при использовании указанной эквивалентной однолучевой пачки для решения наиболее важной задачи изобретения - селекции на фоне пассивных помех малозаметной малоскоростной цели, например типа БПЛА, имеющей дальность обнаружения менее 15 км. Для этого на фиг. 5 в функции скорости приведены экспоненциальные модели энергетических спектров пассивных помех от земной поверхности, покрытой лесом, при слабом, среднем и сильном ветре [5. С 52], и квадраты АЧХ отдельных фильтров из наборов доплеровских фильтров: 5-го фильтра для полученной пачки многолучевого способа длительностью 64 мс и 3-го фильтра для эквивалентной ей однолучевой пачки длительностью 12,8 мс. Указанные наборы фильтров для обеих пачек вычислены с помощью БПФ при весовом взвешивании окном Дольфа-Чебышева с подавлением 70 дБ. Из фиг. 5 видно, что в пачечном многолучевом способе требуемое при среднем ветре, имеющем скорость 3 м/с, подавление пассивных помех 70 дБ может быть получено с допустимыми потерями сигнала 3 дБ при минимальной скорости цели 3,3 м/с, что соответствует характеристикам современных БПЛА. В отличие от этого, в эквивалентном однолучевом режиме, даже при минимальной скорости цели 9 м/с, подавление при среднем ветре составит только 55 дБ.. Кроме того, согласно фиг. 5 разрешение по скорости на уровне 3 дБ для многолучевого режима в N=(6,1/1,22)=5 раз меньше, чем в эквивалентном однолучевом. Отсюда видно существенное преимущество предлагаемого пачечного многолучевого метода перед прототипом при работе по малозаметной малоскоростной цели.
Пример 2.
мин
мин
мак
В РЛС по примеру 1 необходимо уменьшить минимальную дальность обнаружения с R=1500 м до R*=30 м, при максимальной дальности R*=13,5 км.
и
мин
и
и
мак
мин
мак
Для обеспечения этого на каждом периоде импульсов передатчика при установке очередного направления луча на прием и передачу должны излучатся 2 зондирующих сигнала, показанные на фиг. 4, первый простой импульс длительностью t1=2R*/c=0,2 мкс и второй сложный ЛЧМ сигнал с длительностью t2=10 мкс, с девиацией частоты ±2,5 МГц. Временной интервал между импульсами τ1=t2=10 мкс. Временной интервал τ2=100-10=90 мкс, что обеспечивает требуемую максимальную дальность R*=c*τ2/2=13,5 км. От дальности R*=30 м до дальности R1=τ1*c/2=1500 м дальность измеряется на выходе оптимального (согласованного) для первого импульса фильтра, а от дальности R1=1500 м до R*=13,5 км дальность измеряется на выходе оптимального (согласованного) для второго импульса фильтра. При этом выполняется необходимое энергетическое условие
На фиг. 6 показан результат оптимальной фильтрации двух эхо-сигналов от цели, расположенной на интервале τ2 на фиг. 4. Фильтрация производилась согласованным со вторым импульсом фильтром и временным окном Гаусса с параметром 2,5.
и
Из фиг. 6 видно, что подавление эхо-сигналов «не своими» согласованными фильтрами составляет 25 дБ. Отсюда, на интервале τ1 ложный сигнал от второго импульса имеет общее подавление больше, чем 25+40log(T/τ1)=93 дБ, что практически исключает его обнаружение. На интервале τ2 обнаружитель должен выделять засечки от истинного сжатого эхо-сигнала от второго импульса и исключать засечки от его боковиков, поэтому, тем более, такой обнаружитель не пропустит ложный сигнал от эхо-сигнала первого импульса с уровнем еще на 10 дБ меньше, чем уровень боковиков.
Пример 3.
ф
При использовании пачечного многолучевого способа обзора необходимо дополнительно учитывать 2 фактора: конечность времени готовности фазовращателей ФАР t и возможную нестабильность параметров фазовращателей, соответствующих одному направлению луча, из-за промежуточных переключений кодов фаз между импульсами пачки.
ф
Типичное время готовности современного дискретного фазовращателя S-диапазона t=2 мкс, из-за чего аппаратная дальность РЛС уменьшается всего на 300 м.
Указанная нестабильность параметров фазовращателей приводит к случайным, от импульса к импульсу, изменениям ДНА, что дает дополнительный шум РЛС, СКО которого можно оценить по формуле [5, С. 628]:
ϕ
A
фв
фв
где δ и δ - максимальные допуск на нестабильности фазы и коэффициента передачи (потерь) фазовращателя; N - число фазовращателей ФАР. Например, при N=500 для получения допустимых шумов с
фв
ϕ
А
-7
σ=10=-70 дБ требуются допуски δ=0,015≈1° и δ=0,015≈0,13 дБ, что реально достижимо.
В результате сравнения предлагаемого способа не только с прототипом и наиболее близкими аналогами, но и с другими техническими решениями в данной области техники, по мнению заявителя и авторов, заявляемый радиолокационный способ обнаружения малозаметных целей в импульсно-доплеровской РЛС с ФАР обладает совокупностью существенных признаков, не известных из уровня техники для объектов подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения. Также заявляемый способ, по мнению заявителя и авторов, соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. 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. Приведенные выше примеры использования предлагаемого способа показывают соответствие его критериям «промышленной применяемости» и эффективности. Кроме того, в перспективе предложенная в изобретении межимпульсная коммутация направлений лучей в пачке может найти и другие полезные применения.
Источники информации, принятые при составлении описания изобретения
1. Способ обнаружения малозаметных беспилотных летательных аппаратов. Патент RU 2534217 С1 (2013 г). МПК G01S 13/04 (2006/01).
2. Аненков А.Е. и др. К вопросу о наблюдении малоразмерных беспилотных летательных аппаратов. Труды МАИ. Вып. 91. С 2-18.
3. Синави А.И. и др. Управление формой диаграммы направленности в антенных системах с электронным управлением лучом. Антенны. 2005 №2(93), С 27-32.
4. Многолучевые радиолокаторы в составе охранных комплексов. Антитеррор. Под ред. И.К. Антонова. М: Радиотехника 2017 С. 23.
5. Справочник по радиолокации. Под ред. М.И. Сколника. М: Техносфера 2014. Т1.
6. Бакулев П.А., Степин В.М. Методы и устройства селекции движущихся целей. М.: «Радио и связь», 1986. С. 98.