РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к радиолокации и может быть использована для радиолокационного обнаружения воздушных и наземных целей.
Одним из эффективных способов обнаружения и сопровождения низколетящих летательных аппаратов (ЛА) является использование импульсно-доплеровских радиолокационных станций (РЛС), размещаемых на современных истребителях [1] или специальных самолетах дальнего радиолокационного обнаружения (ДРЛО) [2]. Применение самолетных РЛС позволяет увеличить дальность обнаружения низколетящих ЛА за счет расширения радиогоризонта по сравнению с наземными РЛС. Однако подвижность РЛС и необходимость сопровождения низколетящих ЛА на фоне подстилающей поверхности приводят к появлению ряда особенностей зоны обнаружения РЛС. Причем для ЛА, перемещающихся по различным траекториям, эти особенности проявляются по-разному. Для одних ЛА сокращается время сопровождения, для других - появляются перерывы в поступлении информации. Причиной этого является наличие в зоне обнаружения РЛС так называемых зон резекции, обусловленных доплеровским режимом работы.
При использовании этого режима, отраженные сигналы, частоты
з
з
которых близки к средней частоте f сигнала, отраженного от поверхности земли в направлении главного луча диаграммы направленности антенны, не обнаруживаются из-за наличия в РЛС специального фильтра (фильтра резекции) [3]. Частота f зависит от частоты излучаемого сигнала и доплеровского сдвига, вызванного движением самолета, на котором установлена РЛС. Доплеровский сдвиг частоты пропорционален радиальной составляющей относительной скорости облучаемого объекта (цели или подстилающей поверхности), в системе координат, связанной с подвижной РЛС.
Наиболее близкой к описываемой системе является РЛС, размещенная на самолете А-50 (прототип), содержащая РЛС, индикаторное устройство (ИУ), первый вход которого соединен с первым выходом РЛС.
Цель изобретения - обеспечение непрерывного наблюдения целей в зонах доплеровской резекции.
Поставленная цель достигается тем, что в радиолокационную систему, содержащую РЛС и индикаторное устройство, первый вход которого соединен с первым выходом РЛС, дополнительно введены блок исходных данных, вход которого соединен каналом синхронизации с РЛС, блок вычисления угла между вектором нормали и линией визирования, первый вход которого соединен с первым выходом блока исходных данных, а второй вход - с третьим выходом РЛС, блок вычисления удельных ЭПР, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления угла между вектором нормали и линией визирования, а второй вход - со вторым выходом блока исходных данных, блок вычисления ЭПР фона, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления удельных ЭПР, второй вход - с третьим выходом РЛС, а третий вход - с третьим выходом блока исходных данных, блок вычисления ЭПР фона и цели, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления ЭПР фона, второй вход - со вторым выходом РЛС, а выход - со вторым входом индикаторного устройства, блок вычисления времени входа/выхода цели в зону обзора, вход которого соединен с четвертым выходом РЛС, блок вычисления параметров зоны резекции, вход которого соединен с четвертым выходом РЛС, блок принятия решения, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления времени входа/выхода цели в зону обзора, а второй вход - с выходом блока вычисления параметров зоны резекции, блок экстраполяции, вход которого соединен с выходом блока принятия решения, а выход - с третьим входом блока вычисления ЭПР фона и цели.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и их связями между ними. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы, используемые в блоках, являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к расширению функциональных возможностей системы.
Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, а на фиг. 2, 3 - пояснения к описанию устройства.
Устройство включает: РЛС 1, индикаторное устройство (ИУ) 2, блок исходных данных 3, блок вычисления угла между вектором нормали и линией визирования 4, блок вычисления удельных ЭПР 5, блок вычисления ЭПР фона 6, блок вычисления ЭПР фона и цели 7, блок вычисления времени входа/выхода цели в зону обзора (БВВВЗО) 8, блок вычисления параметров зоны резекции (БВПЗР) 9, блок принятия решения (БПР) 10, блок экстраполяции (БЭ) 11.
Устройство работает следующим образом.
Известно, что все отражающие объекты, для которых радиальная составляющая относительной скорости  отличается от радиальной составляющей скорости подстилающей поверхности  относительно установленной на самолете РЛС не более чем на некоторую величину , т.е. для которых выполняется неравенство:
min
являются невидимыми для РЛС. Величина V определяется шириной спектра, отраженного от поверхности сигнала, принимаемого по главному лепестку диаграммы направленности, и является параметром, который учитывается при выборе полосы пропускания резекторного фильтра.
Наличие зон резекции оказывает существенное влияние на процесс сопровождения ЛА. Основным проявлением этого влияния является появление разрывов в сопровождении воздушных объектов и сокращение времени их сопровождения. Разрывы в сопровождении ЛА могут достигать десятков минут.
С целью обеспечения непрерывности наблюдения за ЛА предлагается на борту радиолокационного комплекса дополнительно осуществлять оценку условий радиолокационной видимости с использованием имитационной модели, исходной информацией для которой служит цифровая модель местности в зоне анализа радиолокационного комплекса.
0kl
Каждый дискретный элемент (k,l,δ∈Ω) цифровой модели (элементарная площадка (ЭП)) оценивается удельной эффективной площадью рассеяния (ЭПР) σ, где Ω - цифровая матрица с шагом дискретизации δ, соизмеримым с разрешающей способностью РЛС.
0kl
0kl
Из модели Гюйгенса-Кирхгофа следует, что при имитационном моделировании значений σ каждую ЭП с вектором нормали  (фиг. 2) можно заменить эквивалентным точечным отражателем, обладающим удельной ЭПР σ(β) с максимумом в направлении нормали . Здесь β - угол между линией визирования и нормалью .
0kl
Значение σ может быть определено по формуле [4]:
i
где a - параметры, получаемые империческим путем;
λ - длина волны радиолокационного комплекса.
2
Знак "+" в многочлене (1±sinβ) соответствует вертикальной, а "-" горизонтальной поляризации.
Величина ЭПР фона подстилающей поверхности может быть рассчитана по формуле [4]:
где:
kl
θ - ширина диаграммы направленности антенны по половинной мощности на (k,l)-й ЭП;
kl
R - расстояние до (k,l) - го участка анализа;
kl
φ - угол наклона луча антенны к горизонту на (k,l)-ЭП (фиг. 2).
Фkl
1kl
Каждую (k,l)-ю ЭП можно рассматривать как модель двух излучателей: непосредственно фона σ и цели σ, если они находятся (или будут находиться) на этой ЭП.
0kl
При вычислении σ видимых участков местности должен учитываться их наклон относительно наблюдателя, так как большинство подстилающих поверхностей обладает достаточно узкими диаграммами рассеяния, сравнимыми с пределами изменения положения нормали к ЭП.
Вычисление параметров удельных ЭПР и ЭПР фона подстилающей поверхности осуществляется в блоках 4-6. В блоке 7 вычисляется ЭПР фона и цели, данные по которой поступают с РЛС вместе с координатами обнаруженного ЛА.
Учет времени пребывания ЛА в зонах резекции осуществляется в блоках 8-11. В случае пропадания цели данные с блока экстраполяции 11 поступают на вход блока вычисления ЭПР фона и цели 7 в виде текущих координат ЛА с отображением непрерывности наблюдения ЛА на индикаторном устройстве 2.
Рассмотрим методику расчета зон резекции.
Из неравенства (1) следует, что зоны резекции имеют вид секторов, образованных пересекающимися прямыми линиями. Точка пересечения этих прямых (общая вершина двух секторов) находится в месте положения бортовой РЛС самолета. Расположение секторов показано на фиг. 3. Из условия (1) следует, что общая биссектриса секторов резекции всегда перпендикулярна направлению полета ЛА, а угловой размер а каждого сектора определяется по формуле:
1
2
В случае прямолинейного и равномерного движения ЛА и самолета, осуществляющего его радиолокационное сопровождение, могут быть вычислены моменты пересечения воздушным объектом границ зоны. Для этого рассмотрим прямолинейное движение ЛА в системе координат ZOZ, связанной с бортовой РЛС самолета. В этой системе координат положение цели z(t) в момент t описывается выражением:
0
где z - начальное положение цели.
Подставляя выражение (3) в уравнения границ (сектора резекции) и решая их относительно t, найдем моменты пересечения границ:
H
H
Угол φ, определяющий направление движения носителя РЛС, как и угол φ отсчитывается от оси ΟΖ1 подвижной системы координат (на фиг. 3 φ=0).
Для того, чтобы определить насколько сокращается длительность сопровождения ЛА из-за секторов резекции необходимо знать моменты пересечения траекторией Л А границ зоны обнаружения РЛС. Моменты могут быть найдены при следующих допущениях.
H
Зона обнаружения РЛС считается кругом, центр которого находится в месте расположения самолета, оснащенного РЛС, а радиус круга R определяется дальностью обнаружения ЛА. Зона обнаружения перемещается вместе с носителем РЛС (фиг. 3) в направлении вектора скорости носителя V.
ЛА движется равномерно и прямолинейно, при этом его вектор скорости имеет вид:
1
где φ - угол между вектором V и осью OZ.
1
2
Движение ЛА в системе координат ZOZ описывается выражением (5). В моменты пересечения ЛА границ зоны обнаружения (в том числе и в момент выхода из нее) длина  вектора z(t) равна радиусу зоны R или:
0
отн
0
отн
2
(z+V·t, z+V·t)=R,
где левая часть равенства представляет собой скалярные произведения векторов (5).
Выполнив умножение, получим квадратное уравнение для определения моментов пересечения воздушным объектом границы зоны обнаружения:
.
Решения уравнения, определяющие моменты входа ЛА в зону обзора и выхода из нее, имеют вид
0
Если одно или оба решения являются отрицательными, то это означает, что пересечение границы зоны обнаружения произошло в «прошлом», т.е. до момента, когда ЛА находился в точке, определяемой вектором z.
0
Выражение (8) для вычисления моментов пересечения траектории ЛА границы зоны обнаружения становится особенно простым, если в начальный момент (при t=0) воздушный объект, находясь на границе зоны, z(0)=z движется вглубь нее.
отн
Н
Выражая V через параметры движения ЛА и РЛС (при φ=0) и учитывая, что , получим зависимость
времени сопровождения от углов φ и β, определяющих движения ЛА и точку его входа в зону обнаружения РЛС (см. фиг. 3)
В числителе этого выражения стоит длина хорды , по которой ЛА пересекает зону обзора РЛС, в знаменателе - скорость относительного движения ЛА.
Наличие секторов резекции в зоне обнаружения доплеровской РЛС приводит к появлению перерывов в поступлении информации о ЛА и сокращению времени их сопровождения. Характер этого влияния и его степень зависят от параметров движения ЛА относительно подвижной РЛС.
Соотношения (1), (4)…(9) позволяют:
- реализовать устройство заблаговременного определения моментов пропадания и появления сопровождаемых целей в импульсно-доплеровских РЛС различного назначения и базирования (воздушного, наземного, корабельного);
- оценить размеры зоны резекции, абсолютное и относительное время потери этих объектов;
- осуществлять экстраполяцию утерянных объектов по измерениям дальностей, скоростей и угловых координат на момент пропадания, либо при необходимости передать сопровождение этих объектов на другие РЛС.
На фиг. 1:
РЛС 1 - работает в обычном импульсно-доплеровском режиме, осуществляя обнаружение целей, измерения дальности до них, скорости сближения бортовых пеленгов, координат Z01, Z02 в прямоугольной системе координат, связанной с центром массы носителя и параметров абсолютного движения целей φ, β,·V.
БВВВЗО 8 - блок вычисления времени входа/выхода цели в зону обзора. Время входа фиксируется по моменту обнаружения (времени завязки траектории), а время выхода  вычисляется по формуле (9).
БВПЗР 9 - блок вычисления параметров зоны резекции, вычисляет угол φ сектора резекции по формуле (4), положение сектора резекции в системе координат, связанной с центром массы носителя (фиг. 3) и времена t1 и t2 входа и выхода цели в зону резекции по формулам (6).
БПР 10 - блок принятия решения по соотношению , формирует сигнал запуска экстраполятора (при малых значениях ).
БЭ 11 - блок экстраполяции, осуществляющий прогноз положения цели при ее нахождении в зоне резекции. По сигналам экстраполяции на индикаторном устройстве продолжается индикация цели, попавшей в зону резекции наряду с другими целями.
Все введенные в систему РЛС блоки реализованы на микроЭВМ.
Таким образом, реализация рассмотренного метода позволяет решить задачу непрерывного наблюдения целей в зонах доплеровской резекции.
Литература
1. Канащенков А.И., Меркулов В.Н., Герасимов А.А, и др. Радиолокационные системы многофункциональных самолетов. Т. 1. РЛС - информационная основа боевых действий многофункциональных самолетов. Системы и алгоритмы первичной обработки радиолокационных сигналов. М.: Радиотехника, 2006.
2. Авиация ПВО России и научно-технический прогресс: Боевые комплексы и системы вчера, сегодня, завтра / Под ред. Е.А. Федосова. - М.: Дрофа, 2001.
3. Справочник по радиолокации в 4-х т.Т. 3. Радиолокационные устройства и системы / Под ред. М. Сколника: Пер. с англ. К.Н. Трофимова. - М: Сов. Радио, 1976-1979.
4. Верба B.C. Модель оценки условий радиолокационной видимости средствами воздушной разведки. - Радиотехника, 2006, вып. 4 (107), с. 45…47.