Радиолокационная станция
RADAR STATION

Изобретение относится к радиолокации с обнаружением объекта на основе использования «просветного» эффекта и может быть использовано для обнаружения и измерения координат низколетящих воздушных объектов (ракет, беспилотных летательных аппаратов и др.), в том числе выполненных с применением технологии «Стелс».
Наиболее близкой к заявляемой радиолокационной станции «на просвет» является бистатическая радиолокационная станция (БРЛС), описанная в статье, опубликованной в журнале «Радиотехника и электроника», т. 46, №4 за 2001 г., «Бистатическая эффективная площадь рассеяния и обнаружение объектов при радиолокации на просвет», авторы Бляхман А.Б., Рунова И.А. Эта БРЛС и принимается за прототип.
БРЛС-прототип содержит передающую позицию, состоящую из передатчика и антенны, излучающей непрерывный квазигармонический сигнал в широком секторе углов в направлении приемной позиции. На приемной позиции, удаленной от передающей позиции, расположены приемная антенна с многолучевой диаграммой направленности (ДН), приемник, измеритель частоты Доплера, измеритель пеленга и блок формирования траектории воздушных объектов.
Антенны на обеих позициях подняты на высоту, достаточную для обеспечения прямой радиовидимости.
Данная БРЛС предназначена для обнаружения и определения параметров движения низколетящих воздушных объектов.
Недостатками вышеуказанной БРЛС являются низкий динамический диапазон приемника по принимаемым сигналам из-за влияния прямого сигнала передатчика, который на 60-80 дБ мощнее эхо-сигнала от цели, и высокая вероятность ложных тревог из-за влияния сигналов пассивных помех, спектр которых находится вблизи частоты передатчика. Данные недостатки обусловлены бистатическим вариантом построения радиолокационной системы, т.е. необходимостью разнесения в пространстве приемной и передающей позиций БРЛС.
Техническое решение направлено на преодоление указанных недостатков с целью повышения достоверности обнаружения малозаметных в радиолокационном смысле низколетящих воздушных объектов за счет использования для обнаружения этих объектов отражений от подстилающей поверхности от объекта в области радиолокационной тени, образующейся в результате дифракции облучающего поля на объекте со сниженным значением эффективной поверхности рассеяния (ЭПР).
Указанный технический результат достигается тем, что в радиолокационной станции, состоящей из передающей и приемной частей, при этом передающая часть содержит последовательно соединенные передатчик и передающую антенну, а приемная часть - приемную антенну с многолучевой диаграммой направленности, приемник, измеритель частоты Доплера и последовательно соединенные измеритель пеленга и блок формирования траектории, согласно изобретению радиолокационная станция установлена на летательном аппарате, приемная и передающая антенны ориентированы вертикально вниз, приемная часть выполнена N-канальной (N>2), каждый канал дополнительно содержит последовательно соединенные блок измерения уровня отраженного сигнала, устройство управления и последовательно соединенные блок изменения уровня сигнала передатчика, блок изменения фазы сигнала передатчика и сумматор, выход которого соединен с входом приемника, а выход приемника - с объединенными входом блока измерения уровня сигнала и входом измерителя частоты Доплера, первый выход устройства управления соединен с вторым входом блока изменения уровня сигнала, второй выход устройства управления соединен с вторым входом блока изменения фазы сигнала, первые входы блоков изменения уровня сигнала всех каналов объединены и соединены с входом передающей антенны, измеритель пеленга имеет N входов, каждый из которых соединен с выходом соответствующего измерителя частоты Доплера, приемная антенна имеет N выходов, каждый из которых соединен с входом сумматора соответствующего канала.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1.
На фиг. 1 использованы следующие обозначения: 1 и 2 - соответственно передающая и приемная позиции, которые размещаются на летательном аппарате (например, аэростате); 3 - объект обнаружения (беспилотный летательный аппарат, ракета и т.д.); 4 - подстилающая поверхность; 5 - пересечение луча диаграммы направленности передающей антенны с подстилающей поверхностью (далее след диаграммы направленности); 6 - зона радиолокационной «тени» на поверхности земли; 7.1, 7.2…7.n…7.N - следы многолучевой диаграммы направленности приемной антенны на подстилающей поверхности (где n=1, 2…N, N - количество приемных каналов); 8 - направление полета низколетящего воздушного объекта. Основное требование к антенной системе состоит в том, чтобы главный лепесток передающей антенны постоянно перекрывал весь объем пространства возможного подлета цели, создавая барьер на ее пути. Это означает, что антенна должна находиться на высоте, превышающей максимально возможную высоту полета цели, а протяженность луча ее диаграммы направленности в поперечном к направлению полета направлении - перекрывать весь его фронт.
пп.
пп
o
т
т
o
пп.
т
пп
В отсутствие над зоной 5 (след диаграммы направленности передающей антенны) низколетящего объекта (объектов) на вход каждого канала приемника приходит сигнал, отраженный подстилающей поверхностью в пределах следа диаграммы направленности приемной антенны 7.1, 7.2…7.n…7.N (где n=1, 2…N, N - количество приемных каналов). Интенсивность этого сигнала равна I При появлении в диаграмме направленности передающего луча (над следом 5) низколетящего объекта на вход соответствующего канала приемника (того канала, над следом диаграммы направленности приемного луча которого находится низколетящий объект) будет приходить три сигнала: I, сигнал, отраженный от объекта - I, и сигнал, отраженный подстилающей поверхностью в области радиолокационной «тени» 6, - I. Особенностью сигнала I является то, что рассеянный вперед сигнал от обнаруживаемого объекта имеет другую фазу по сравнению с сигналами I и I В частности, если объект металлический, то разность фаз между I и I составляет 180° (Дж. Джексон. Классическая электродинамика. М.: Мир, 1965, с. 331).
Известно, что отношение интенсивностей полезного и мешающих сигналов при обнаружении цели по ее обратному рассеянию (классический радиолокатор) записывается в виде (см., например, Радиолокационные станции обзора Земли. Под ред. Г.С. Кондратенкова. - М.: Радио и связь, 1983, с. 185)
,
ш
где I - интенсивность внутренних шумов приемника.
ц
об
При использовании технологии «Стелс» в конструкции летательного аппарата величина I (числитель выражения) может быть существенно сниженной (величина Q уменьшится) и для классического радиолокатора объект будет практически невидим.
В предлагаемой РЛС отношение интенсивности полезного сигнала к интенсивностям мешающих сигналов при обнаружении цели с использованием переднего рассеяния записывается в виде (см., например, Гремяченский С.С., Нечаев Ю.Б., Борисов Д.Н. Методика и некоторые результаты оценки эффективности двукратной дифракции в целях радиолокации. Радиотехника, №6, 2012, с. 17)
.
пр
т
пп
пп
ц
ц
пр
т
ш
т
В данном случае отраженный от объекта сигнал является помеховым и применение технологии «Стелс» наоборот увеличивает величину Q, поскольку в качестве полезного сигнала выступает «теневая» составляющая, величина которой зависит только от геометрической площади объекта как переотражающей антенны. Поскольку волны I и I сдвинуты по фазе, то, компенсировав волну I, можно получить при весьма малом значении I (I→0) Q≈I/I и проводить уверенное обнаружение объекта. При этом, чем большими отражающими свойствами обладает подстилающая поверхность (больше I), тем увереннее будет обнаруживаться объект.
Таким образом, за счет использования для обнаружения низколетящих воздушных объектов со сниженным значением ЭПР отражений в области радиолокационной тени на подстилающей поверхности, образующейся в результате дифракции облучающего поля на объекте, обеспечивается повышение достоверности обнаружения малозаметных в радиолокационном смысле низколетящих воздушных объектов.
Этим достигается указанный выше технический результат изобретения.
На фиг. 2 представлена структурная схема реализации заявляемой радиолокационной станции с обнаружением на «просвет», где приняты следующие обозначения: 1 - передатчик; 2 - антенна передатчика; 3 - многолучевая приемная антенна; 4 - приемник; 5 - измеритель частоты Доплера; 6 - измеритель пеленга; 7 - блок формирования траектории; 8 - блок измерения уровня отраженного от подстилающей поверхности сигнала; 9 - сумматор; 10 - блок изменения уровня сигнала; 11 - блок изменения фазы сигнала; 12 - устройство управления.

Блок измерения уровня отраженного сигнала 8 предназначен для текущего фиксирования изменений среднего уровня напряжения с выхода приемника 4 и передачи этого уровня в устройство управления 12. Блок может быть реализован с использованием многофункционального процессора (например, Intel Core™ 2 Duo или процессора AMD Phenom™ II, с приданным ОЗУ, см. www.amd.com/ru-ru/products/processors/desktop/phenom-ii). При этом программными средствами обеспечивается фиксирование среднего уровня напряжения с выхода приемника каждого из N приемных каналов.
Сумматор 9 предназначен для смешивания сигналов передатчика 1 с измененной в блоке 10 амплитудой и с измененной в блоке 11 фазой излучаемого сигнала с принимаемым сигналом. Сумматор 9 для развязки входов может быть выполнен на базе мостового устройства (моста) (см., например, Проектирование радиолокационных приемных устройств. Под ред. М.А. Соколова, М.: Высшая школа, 1984, с. 190).
Блок изменения уровня сигнала передатчика 10 может быть, например, выполнен с использованием управляемого аттенюатора на p-i-n диодах (см., например, Справочник по радиолокации. Пер. с англ. под ред. К.Н. Трофимова, т. 2, М.: Сов. радио, 1977, с. 42).
Блок изменения фазы сигнала передатчика 11 может быть выполнен, например, с использованием управляемого ферритового фазовращателя (см., например, Г.Т. Маркин, Д.М. Сазонов. Антенны. М.: Энергия, 1975, с. 475).

Устройство управления 12 предназначено для формирования управляющих напряжений (кодов) на блоки 10 и 11 и может быть выполнено с использованием многофункционального процессора (например, Intel Core™ 2 Duo или процессора AMD Phenom™ II, с приданным ОЗУ, см. www.amd.com/ru-ru/products/processors/desktop/phenom-ii).
Программное обеспечение должно обеспечивать при калибровке радиолокационной станции такое изменение амплитуды и фазы сигнала передатчика, чтобы поступающие на вход сумматора 9 сигналы (отраженный от подстилающей поверхности сигнал с выхода антенны) и сигнал передатчика 1 компенсировали друг друга. Данный факт определяется тогда, когда уровень сигнала с выхода приемника 4 достигнет минимального (близкого к уровню внутренних шумов) значения.
Предлагаемая радиолокационная станция работает следующим образом.
Передатчик 1 формирует, а антенна 2 излучает непрерывное гармоническое колебание, которое облучает зону 5 (см. фиг. 1) на подстилающей поверхности. При достоверном отсутствии низко летящего малозаметного объекта (объектов) 3 над зоной 5 в каждом приемном канале на выходе соответствующего приемника 4 появляется только отраженный от подстилающей поверхности помеховый сигнал (пассивная помеха). Величина этого мешающего сигнала измеряется в блоке 8 и передается в устройство управления 12 амплитудой и фазой колебания, формируемого передатчиком 1. Изменение амплитуды и фазы данного колебания осуществляется соответственно в блоках 10 и 11 в соответствии с управляющими сигналами, поступающими от устройства управления 12. Регулировка амплитуды и фазы колебания передатчика 1, поступающего на второй вход сумматора 9, с выхода фазовращателя 11 осуществляется устройством управления 12 до тех пор, пока отраженный от подстилающей поверхности 4 (фиг. 1) сигнал не будет скомпенсирован на выходе приемника 4 каждого из N каналов. На этом процедура калибровки радиолокационной станции заканчивается. При необходимости данная процедура может периодически повторяться.
В случае присутствия над следом диаграммы направленности передающей антенны 5 (фиг. 1) низколетящего малозаметного объекта 3 электромагнитная волна, излучаемая передающей антенной 2, дифрагирует на облучаемом объекте. При этом в зависимости от того, над каким участком следа 5 селектируемым соответствующим приемным лучом 7.1, 7.2, 7.n…7.N (где n=1, 2…N, N - количество приемных каналов) пролетает объект, на нем образуется область геометрической «тени» 6 (см. фиг. 1). Интенсивность этого сигнала определяется только размерами объекта и не зависит от мер, принимаемых для снижения ЭПР объекта. Сигнал, отраженный от перемещающейся со скоростью полета объекта области 6 (см. фиг. 1), поступает с выхода приемника в блок измерения частоты Доплера 5, затем с выходов всех N каналов на блок измерения пеленга 6. В данном блоке в каждый момент времени определяется номер канала, в котором принимаемый сигнал имеет максимальное значение. В блоке формирования траектории 7 фиксируется последовательное перемещение области геометрической «тени» объекта из одного приемного луча в другой и, таким образом, завязывается траектория движения малозаметного воздушного объекта.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении реализуется возможность моностатического расположения приемной и передающей частей радиолокационной станции с обнаружением низколетящих малозаметных объектов на основе использования «просветного» эффекта. Подобный принцип построения позволяет устранить влияние прямого сигнала передатчика, снизить влияние пассивных помех, а также обнаруживать и измерять координаты воздушных объектов с весьма малыми значениями ЭПР, препятствующими обнаружению объектов классическими способами с использованием обратного отражения от объекта.