СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ "АНГЕЛОВ" ПРИ КОМПЛЕКСИРОВАНИИ РЛС РАЗНЫХ ДИАПАЗОНОВ
METHOD AND DEVICE FOR PROTECTION FROM “ANGELS” IN COMPLEXATION OF RADAR STATIONS OF DIFFERENT RANGES

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС).
Известно, что в процессе работы РЛС на вход приемного тракта помимо полезных эхосигналов поступают различного рода помехи [1, 2]. В частности, весьма распространенными являются помехи, связанные с отражениями зондирующих импульсов в приземном слое атмосферы от дождя, тумана, а также от оптически ненаблюдаемых объектов, для которых принято собирательное название - "ангелы".
Основной трудностью при защите от такого типа помех в РЛС коротковолнового диапазона является их дискретность (что делает их похожими на цель) и большой диапазон частот Доплера, превышающий частоту повторения, что затрудняет их режекцию в системе селекции движущихся целей (СДЦ).
Использование межобзорных методов обработки оказывается неэффективным из-за малого времени жизни (1-2 обзора) каждого отдельного "ангела". По этой же причине малоэффективным оказывается устройство картографирования пассивных помех, рассмотренное в [3].
Одним из известных способов обнаружения целей на фоне "ангелов" является уменьшение коэффициента усиления приемника РЛС в зоне обзора, пораженной "ангелами" [2]. При таком способе защиты эхосигналы "ангелов" в силу их малой мощности оказываются под порогом обнаружения и не создают ложных отметок (ложных целей) на индикаторе кругового обзора РЛС. Однако такой способ приводит к потерям в обнаружении малоразмерных и малозаметных целей с эффективными площадями рассеяния (ЭПР), сравнимыми с ЭПР "ангелов", таких как летательные аппараты, выполненные по Stealth- технологии, боевые блоки баллистических ракет небольших размеров, гиперзвуковые крылатые ракеты.
Кроме этого защиту РЛС от эхосигналов "ангелов" можно обеспечить за счет селекции "ангелов" и целей по частоте Доплера [5, 6]. Основным недостатком доплеровского селектора является низкая эффективность селекции многомодовых (многослойных) "ангелов" и "ангелов" с околопороговым отношением сигнал/шум.
В метровом диапазоне длин волн в качестве защиты от эхосигналов "ангелов" может использоваться режекторный фильтр, ширина зоны режекции которого достаточна для подавления большей части "ангелов". При этом для замытия зон "слепых" скоростей в скоростной характеристике режекторного фильтра зондирование должно осуществляться с вобуляцией периода повторения импульсов.
В коротковолновых диапазонах использование режекторного фильтра для защиты РЛС от "ангелов" является малоэффективным, т.к. диапазон доплеровских частот "ангелов" значительно превосходит зону режекции режекторного фильтра. Увеличение зоны режекции режекторного фильтра при сохранении средней частоты повторения импульсов является нежелательным, т.к. это приводит к значительным провалам в амплитудно-скоростной характеристике в зоне доплеровских частот целей.
Увеличение эффективности защиты РЛС коротковолнового диапазона длин волн от "ангелов" можно добиться путем значительного увеличения частоты повторения импульсов (ЧПИ). При этом появляется возможность доплеровского разрешения полезных и помеховых сигналов "ангелов".
гр
гр.
гр
гр
п
Проведенные исследования показали, что для обеспечения надежной защиты РЛС от пассивных помех с частотами Доплера, не превышающими некоторого граничного значения F., частота повторения импульсов должна составлять величину порядка ~6FВ большинстве случаев скорости "ангелов" определяются скоростью ветра и не превышают величину V=30 м/с. Тогда, например, применительно к РЛС сантиметрового диапазона длин волн (λ=10 см) F составит 600 Гц, а минимальная частота повторения - F~3600 Гц. При такой частоте повторения импульсов однозначная дальность обнаружения целей составит величину, значительно меньшую, чем требуемая инструментальная дальность РЛС. Это приведет к неоднозначности измерения дальности цели.
Известен способ, при котором однозначность измерения дальности обеспечивается кодированием излучаемых импульсных сигналов [7]. Одним из вариантов кодирования является использование нескольких частот повторения импульсов. При этом дочерние последовательности импульсов образуются из опорной последовательности путем деления частоты. Период следования импульсов опорной последовательности больше периодов образованных дочерних последовательностей. При отражении от цели импульсы последовательностей, поступающие на схему обработки для устранения неоднозначных измерений, не совпадают по времени между собой, кроме одного раза за период опорной частоты. Таким образом, используя совпадающие импульсы дочерних последовательностей, дальность до цели измеряется однозначно.
К основному недостатку данного способа относится снижение вероятности обнаружения целей вследствие разделения излучаемой энергии между последовательностями импульсов. Кроме этого, в зависимости от дальности и скорости цели существует вероятность маскирования полезного сигнала цели помеховыми сигналами и вероятность затенения цели по дальности, когда отраженный эхосигнал пересекается по времени с зондирующим сигналом.
Задача селекции "ангелов" может быть эффективно решена при объединении РЛС длинноволнового и коротковолнового диапазонов в единый комплекс [8]. В этом комплексе задача обнаружения новых целей и сопровождение ранее обнаруженных целей разделяется между РЛС метрового и дециметрового (сантиметрового) диапазонов. При этом РЛС коротковолнового диапазона работает в режиме сопровождения узким лучом по целеуказанию (ЦУ) от РЛС метрового диапазона. Особенностью метрового диапазона является практически полное отсутствие "ангелов", что позволяет формировать ЦУ для РЛС коротковолнового диапазона только по целям. В [9] предложен способ и устройство выбора частоты повторения импульсов РЛС с использованием внешнего ЦУ (от дополнительной РЛС или вводимого вручную). Выберем данный способ за прототип, т.к. он является наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и устройству.
В данном способе обнаружение цели осуществляется первой (метровой) РЛС. Она формирует ЦУ по цели и выдает их на вторую РЛС. Дополнительно предусмотрен механизм ручного ввода ЦУ во вторую РЛС.
пD
пD
Во второй РЛС рассчитывается частота Доплера цели, которая используется для определения диапазона ЧПИ (ΔF), обеспечивающего нулевое затенение цели по дальности, и диапазона ЧПИ (ΔF), исключающего маскирование цели помеховыми сигналами "ангелов". В качестве результирующей выбирается такая ЧПИ, которая присутствует в обоих диапазонах одновременно.
Структурная схема устройства-прототипа (фиг. 1) содержит первую РЛС 1 и вторую РЛС, в которую входят устройство приема и обработки РЛИ 2, формирователь ЧПИ 3, устройство определения допустимых диапазонов ЧПИ в зависимости от дальности цели 4, устройство определения допустимых диапазонов ЧПИ в зависимости от частоты Доплера цели 5 и устройство выбора допустимой ЧПИ 6.
д
пD
пF
Пк
min
max
Принцип действия устройства-прототипа заключается в следующем. Обнаружение и взятие на сопровождение цели осуществляется длинноволновой первой РЛС 1. Она оценивает дальность (D) и радиальную скорость (Vr) цели и выдает их на коротковолновую вторую РЛС. Во второй РЛС в устройстве приема и обработки РЛИ 2 осуществляется прием переданной РЛИ и рассчитывается частота Доплера цели F=2Vr/λ, где λ - длина волны второй РЛС. Рассчитанная частота Доплера и дальность цели передается на первые входы устройств 4 и 5. В этих устройствах определяются диапазоны ЧПИ (ΔF), обеспечивающие нулевое затенение цели по дальности и диапазоны ЧПИ (ΔF), исключающие маскирование цели помеховыми сигналами "ангелов". На вторые входы устройств 4 и 5 подается набор возможных ЧПИ (F) от минимальной F до максимальной F.
пD
пF
пD
пF
С выходов устройств 4 и 5 рассчитанные диапазоны ЧПИ (ΔF и ΔF) подаются на входы 1 и 2 устройства выбора допустимой ЧПИ 6. В качестве допустимой может выбираться, например, наименьшая ЧПИ из диапазонов ΔF, для которой есть соответствующая наименьшая ЧПИ в любом из диапазонов ΔF
Полученное значение допустимой ЧПИ (Рдоп) используется второй РЛС для облучения цели, что устраняет затенение цели по дальности и маскирование помеховыми сигналами "ангелов".
Как видно из описания прототипа, выбор оптимальной ЧПИ осуществляется по каждой цели отдельно (индивидуально). Т.е. при расчете ЧПИ для конкретной цели в прототипе не учитывается тот факт, что в данном азимутальном направлении, соответствующем азимуту рассматриваемой цели, могут находиться еще другие воздушные объекты, находящиеся на разных дальностях и движущиеся с различными радиальными скоростями. Очевидно, что в общем случае выбранная для одной конкретной цели допустимая ЧПИ не будет оптимальной для других целей, находящихся в этом же азимутальном направлении. Для наиболее распространенных РЛС кругового обзора с механическим вращением антенны по азимуту в связи с отсутствием возможности электронного отклонения луча диаграммы направленности в каждое азимутальное направление может излучаться сигнал только с одной ЧПИ, которая будет являться оптимально выбранной только для одной цели. Для других целей, находящихся в данном азимутальном направлении, будет иметь место вероятность пропадания отраженного от них сигнала вследствие совпадения их с излучаемым с высокой частотой повторения зондирующим сигналом, а также вследствие маскирования их помеховыми сигналами. Это будет приводить к снижению производительности второй РЛС, т.е. к ухудшению качества сопровождаемых на фоне "ангелов" целей.
Кроме этого, при наличии в одном азимутальном направлении нескольких целей может иметь место ситуация, когда после выбора допустимой ЧПИ по одной цели на нее наложится сигнал другой цели, дальность которой окажется кратной дальности рассматриваемой цели. Это приведет к искажению огибающей рассматриваемой цели и возникновению ошибок измерения координат.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в увеличении производительности коротковолновой РЛС и улучшении точности измерения угловых координат целей на фоне помеховых отражений от "ангелов".
Указанный технический результат достигается тем, что первая РЛС реализуется в длинноволновом (например в метровом) диапазоне, а вторая - в коротковолновом (в дециметровом или сантиметровом) диапазоне.
Обнаружение всех целей осуществляется первой длинноволновой РЛС 1, которая формирует ЦУ для второй РЛС с информацией о дальности и скорости целей. При этом, вследствие малого числа "ангелов" в метровом диапазоне, завязка ложных трасс и формирование ЦУ по помеховым сигналам "ангелов" маловероятна.
В отличие от прототипа информация во вторую РЛС передается в каждом азимутальном направлении пакетом сразу по всем целям, находящимся на данном азимуте. Во второй РЛС выбирается такая ЧПИ, которая будет являться оптимальной (с точки зрения отсутствия затенения по дальности, маскирования помеховыми сигналами и наложения сигналов целей друг на друга) сразу для всех целей, находящихся на данном азимутальном направлении.
Очевидно, что при определенном количестве целей и соотношении их дальностей и скоростей оптимальное сразу для всех целей решение по выбору ЧПИ может отсутствовать. Тем не менее, в этом случае предлагаемые способ и устройство позволяет максимизировать количество целей, которые будут сопровождаться на фоне помех типа "ангелы" без ухудшения качества радиолокационной информации. Этим будет обеспечено увеличение производительности РЛС коротковолнового диапазона.
Устройство, реализующее заявляемый способ, характеризуется тем, что в устройство-прототип, содержащий первую РЛС и вторую РЛС, в которую входят устройство приема и обработки РЛИ, формирователь ЧПИ, устройство определения допустимых диапазонов ЧПИ в зависимости от дальности цели, устройство определения допустимых диапазонов ЧПИ в зависимости от частоты Доплера цели и устройство выбора допустимой ЧПИ добавляются оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ), устройство анализа, устройство отбора по максимуму и устройство расчета оптимальной ЧПИ с соответствующими связями.
На фиг. 2 приведена структурная схема заявляемого устройства, где обозначено:
1 - первая РЛС
2 - устройство приема и обработки РЛИ
3 - формирователь ЧПИ
7 - оперативно-запоминающее устройство;
8 - устройство анализа;
9 - устройство отбора по максимуму
10 - устройство расчета оптимальной ЧПИ.
Как видно из фиг.2, в состав заявляемого устройства входит первая РЛС 1 и вторая РЛС, состоящая из устройства приема и обработки РЛИ 2, формирователя ЧПИ 3, ОЗУ 7, устройства анализа 8, устройства отбора по максимуму 9 и устройства расчета оптимальной ЧПИ 10.
Вход устройства приема и обработки информации 2 соединен с выходом первой РЛС 1, а выход - со входом ОЗУ 7. Первый вход устройства анализа 8 соединен с выходом ОЗУ 7, а второй - с выходом формирователя ЧПИ 3. Выход устройства анализа 8 через устройство отбора по максимуму 9 соединен со входом устройства расчета оптимальной ЧПИ 10, выход которого является выходом заявляемого устройства.
m
rm
m
С первой РЛС 1 информация о целевой обстановке (D, V) передается во вторую РЛС на устройство приема и обработки РЛИ 2, где рассчитывается частота Доплера (Рд) для всех целей с дальнейшим запоминанием всей РЛИ в ОЗУ 7.
Пk
Формирователь ЧПИ 3 осуществляет перебор возможных частот ЧПИ (F) по следующему алгоритму:
Пk
min
ЧПИ
F=F+k⋅ΔF;
,
min
гр
где F ~ 6F - минимальная ЧПИ, обеспечивающая эффективную защиту второй РЛС от помеховых сигналов "ангелов";
max
F - максимальная ЧПИ, определяемая аппаратной частью второй РЛС;
ЧПИ
ΔF - дискретный шаг изменения ЧПИ;
[] - математическая операция выделения целой части аргумента.
k
k
Для каждой сформированной ЧПИ FП в устройстве анализа 8 производится подсчет целей (М) в текущем азимутальном направлении второй РЛС, для которых сформированная ЧПИ является допустимой. Под допустимой понимается такая ЧПИ, при использовании которой эхосигнал цели:
- не будет затеняться по дальности;
- не будет маскироваться помеховыми сигналами "ангелов";
- не будет накладываться на эхосигналы других целей из текущего азимутального направления.
Пk
Чтобы не происходило затенение m-ой цели по дальности при использовании k-ой ЧПИ F, должно выполняться следующие условие:
k
где Dзc - протяженность зондирующего сигнала при использовании k-ой ЧПИ;
8
- инструментальная дальность обнаружение целей при использовании k-ой ЧПИ, где с=3⋅10 м/с - скорость света в вакууме;
- неоднозначная дальность m-ой цели при использовании k-ой ЧПИ;
m
D - оценочное значение дальности m-ой цели;
[] - математическая операция выделения целой части аргумента.
Учитывая, что , где Q - скважность (для твердотельных
передающих устройств составляет величину ~10), перепишем выражение (1) в следующем виде:
,
или
Пk
m
Чтобы не происходило маскирование m-ой цели помеховыми сигналами "ангелов" при использовании k-ой ЧПИ F, неоднозначная частота Доплера цели Fдн должна находится вне диапазона доплеровских частот "ангелов", т.е. должно выполняться следующие условие:
где  - неоднозначная частота Доплера m-ой цели при использовании k-ой ЧПИ;
m
Fд - оценочное значение частоты Доплера m-ой цели;
гр
F - модуль максимально возможных (граничных) частот Доплера "ангелов";
[] - математическая операция выделения целой части аргумента.
Пk
Чтобы не происходило наложение эхосигналов m-ой и n-ой цели при использовании k-ой ЧПИ F, неоднозначные дальности целей должны отличаться на величину, превышающую удвоенную длительность кванта, т.е. должно выполняться следующие условие:
кв
где D - длительность кванта;
- неоднозначная дальность m-ой цели при использовании k-ой ЧПИ;
- неоднозначная дальность n-ой цели при использовании k-ой ЧПИ;
- инструментальная дальность обнаружение целей при использовании k-ой ЧПИ;
m
D - оценочное значение дальности m-ой цели;
n
D - оценочное значение дальности n-ой цели;
[] - математическая операция выделения целой части аргумента.
Проверка выполнения условий 2-4 проводится в устройстве анализа 8, на вход которого поступает информация с выхода ОЗУ 7 о всех целях в текущем азимутальном направлении второй РЛС.
к
Если условия 2-4 для m-ой цели выполняются, то происходит увеличение количества целей М для k-ой ЧПИ.
k
Выходом устройства анализа 8 является массив {М}. Каждый элемент массива М представляет собой количество целей, для которых k-я ЧПИ является допустимой.
n
Из сформированного массива в устройстве отбора по максимуму 9 определяется индекс n, соответствующий максимальному значению массива M=max({M}).
По найденному индексу n в устройстве расчета оптимальной ЧПИ 10 определяется ЧПИ по следующей формуле:
Попт
min
F=F+n⋅ΔFЧПИ.
Попт
Оптимизированная ЧПИ F используется для облучения целей в текущем азимутальном направлении.
Выбранная по заявляемому вышеописанному способу ЧПИ позволит во второй (коротковолновой) РЛС на фоне помеховых отражений от "ангелов" максимизировать количество обнаруживаемых целей за обзор, а значит, и увеличить производительность РЛС и улучшить точность измерения угловых координат целей.
Таким образом, введение в устройство-прототип, содержащий первую РЛС 1, а также вторую РЛС, включающую устройство приема и обработки информации 2, формирователь ЧПИ 3, дополнительно оперативно-запоминающего устройства 7, устройства анализа 8, устройства отбора по максимуму 9 и устройства расчета оптимальной ЧПИ 10 с соответствующими связями позволило на фоне мешающих отражений от "ангелов" увеличить производительность коротковолновой РЛС и улучшить точность измерения угловых координат целей.
Литература
1. Справочник по радиолокации. Под ред. Сколника М., т. 1, М.: Советское радио, 1976, с. 256-263.
2. Справочник по радиолокации. Под ред. Сколника М., т. 3, М.: Советское радио, 1979, с. 158, 161, 179.
3. Патент РФ на изобретение №2510863.
4. Бакулев П.А. Методы и устройства селекции движущихся целей. М.: Радио и связь, 1986.
5. Патент РФ на изобретение №2308736.
6. Патент РФ на изобретение №2498337.
7. Справочник по радиоэлектронным системам. Под ред. Б.Х. Кривицкого. - М.: Энергия, 1979, стр. 99, рис. 7-33.
8. Патент РФ на изобретение №2346291.
9. Патент на изобретение US 006064331 А (прототип).