СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБЗОРА ПРОСТРАНСТВА
METHOD OF RADAR SCANNING OF SPACE

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при построении или модернизации вращающихся многофункциональных радиолокационных систем (РЛС) с электронным сканированием лучом.
Современные РЛС обзора воздушного пространства, использующие фазированные антенные решетки (ФАР) с электронным сканированием лучом, необходимы для быстрой и точной оценки изменяющейся воздушной обстановки и получения высококачественных данных сопровождения, идентификации и оценки координат целей. Они решают совместно задачи обзора пространства, обнаружения целей и сопровождения целей.
Уменьшение времени обзора пространства приводит к увеличению вероятности обнаружения целей, имеющих флюктуирующий характер отраженного сигнала, к которым относится большинство реальных целей (Современная радиолокация (анализ, расчет и проектирование систем). Пер. с англ. Под ред. Кобзарева Ю.Б., М., Советское радио, 1969, с.585-588.).
Вероятность обнаружения целей повышается за ряд последовательных циклов обзора (Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д., учебное пособие для вузов., М., Советское радио, 1970, с.269-271), поэтому для увеличения вероятности обнаружения целей, особенно высокоскоростных, необходимо уменьшение времени обзора пространства.
Количество разрешаемых угловых направлений, которые осматривает обзорная РЛС, определяется в виде:
,
где ΔВ, ΔЕ - размеры осматриваемой области пространства по азимуту и углу места соответственно;
Δβ, Δε - размер луча по азимуту и по углу места соответственно на уровне пересечения диаграмм направленности антенны при положении луча в соседних угловых направлениях, как правило, равном 0,7.
Минимальное время обзора одного углового направления определяется временем распространения зондирующего сигнала РЛС до цели на максимальной инструментальной дальности и временем распространения отраженного сигнала от цели до РЛС:
где R - инструментальная дальность, с - скорость света.
Для современной обзорной РЛС S-диапазона входящие в (1) и (2) параметры могут иметь следующие значения: ΔВ=360°, ΔЕ=60°, Δβ=2°, Δε=2°, R=150 км.
Минимальное время обзора одного углового направления составляет τ=1 мс, количество разрешаемых угловых направлений М=5400, общее минимальное время обзора М*τ=5,4 с.
В случае, когда обнаруженные цели требуется сопровождать, время, отводимое на обзор зоны пространства, еще более увеличивается, поскольку при этом необходимо тратить зондирующие сигналы еще и на стробы захвата и сопровождения.
Если в зоне пространства действуют пассивные помехи, то в направлениях, где применяются средства защиты от них (селекция движущихся целей по доплеровской частоте), на осмотр углового направления требуется дополнительное время, определяемое длиной импульсной характеристики фильтра при использовании фильтровых методов, либо временем когерентного накопления сигнала при использовании спектральных методов селекции.
Таким образом, уменьшение времени обзора пространства является проблемной задачей.
Для уменьшения времени захвата цели на сопровождение и повышения точности определения координат сопровождаемой цели необходимо уменьшение времени обновления информации по цели, что особенно актуально для скоростных и маневрирующих целей.
Известен способ радиолокационного обзора пространства, использующий систему сопровождения на проходе (СНП), которая осуществляет автоматическую совместную обработку последовательности данных от обзорной РЛС и формирует данные для сопровождения целей с определением сглаженных оценок координат и скорости цели (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, с.201). Данные для сопровождения цели формируются в процессе выполнения обнаружения. РЛС этого типа функционируют в заранее заданном режиме независимо от оперативной обстановки, за исключением того случая, когда оператор имеет возможность выбирать различные режимы работы. Обзор пространства по азимуту осуществляется в процессе вращения антенны, по углу места изменением положения луча в плоскости угла места за счет электронного сканирования.
Недостатком данного способа является то, что темп обзора и, следовательно, темп обновления данных сопровождения РЛС с СНП при заданном объеме пространства фиксирован и определяется скоростью вращения антенны, что приводит к низкой точности сопровождения скоростных и маневрирующих целей. Другим недостатком является то, что для начала сопровождения по критерию «n из m» (Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации. М., Сов. радио, 1974, с.121-122) необходимо выполнить несколько последовательных обзоров требуемого пространства с темпом, соответствующим темпу вращения антенны, в результате чего обнаружение случайно или внезапно появляющихся целей задерживается.
Известны способы радиолокационного обзора зоны пространства, в которых сокращают время обзора заданной зоны пространства за счет исключения из обзора отдельных ее секторов, вероятность появления целей в которых, рассчитанная исходя из превышения принимаемым сигналом пороговых значений в предыдущих обзорах, низка (патент на изобретение №2366969, МПК G01S 13/00, 2008 г. и патент на изобретение №2400768, МПК G01S 13700, 2009 г.).
Недостатком этих методов является снижение рубежей обнаружения высокоскоростных и низколетящих целей, появляющихся из-за радиогоризонта, так как невозможно предсказать появление этих целей по результатам предыдущих обзоров.
Известен способ обнаружения траектории объекта, в котором для повышения вероятности обнаружения высокоскоростных целей каждый осмотр заданного сектора по азимуту при обзоре осуществляют сразу же после окончания предыдущего его осмотра, для чего после каждого осмотра заданного сектора по азимуту, при котором решение об обнаружении или об отсутствии обнаружения траектории объекта не принято, изменяют направление вращения антенны и осуществляют следующий осмотр заданного сектора по азимуту, а после осмотра заданного сектора по азимуту, при котором решение об обнаружении или об отсутствии обнаружения траектории объекта принято, направление вращения антенны устанавливают совпадающим с заданным для регулярного осмотра зоны обзора РЛС и продолжают регулярный осмотр зоны обзора РЛС (патент на изобретение №2347236, МПК G01S 13/58, 2006 г.).
Недостатком данного способа является сокращение рубежей обнаружения скоростных целей, являющееся следствием увеличения времени обзора пространства из-за наличия ложных тревог, для обслуживания которых изменяется направление вращения антенны и тратится время на дополнительный обзор заданного сектора по азимуту, и низкий темп обновления информации по сопровождаемым целям, ограниченный скоростью вращения антенны.
Известен способ радиолокационного обзора пространства, основанный на сокращении затрат времени каждой из независимо работающих РЛС на просмотр «пустых» угловых направлений. Указанный технический результат достигается тем, что РЛС, действующие в контролируемом пространстве, обмениваются информацией о результатах обзора пространства и с учетом полученной информации путем установки различных приоритетов просмотра участков пространства, входящих в зону ответственности РЛС, увеличивают затраты энергии на просмотр угловых направлений, в которых может находиться цель, за счет ее сокращения на просмотр угловых направлений, в которых цель отсутствует (патент на изобретение №2400767, МПК G01S 13/00, 2008 г.).
Недостатком данного способа является необходимость одновременной работы нескольких РЛС и невозможность его реализации при автономной работе одной РЛС.
Известен способ радиолокационного обнаружения и сопровождения объектов и РЛС для его реализации, основанный на пеленгации излучений объекта, причем поиск и обнаружение объекта в запеленгованном направлении и измерение его координат осуществляют с помощью РЛС и ведут его сопровождение. Достигаемым техническим результатом является обеспечение возможности обнаружения и сопровождения с помощью РЛС малозаметных объектов на максимальных дальностях (патент на изобретение №2149421, МПК G01S 13/04, 1998 г.).
Недостатком данного способа является невозможность обнаружения целей, у которых отсутствует собственное излучение.
Известен способ радиолокационного обзора пространства для построения многофункционального радиолокатора, который заключается в электронном сканировании по углу места при одновременном вращении антенны по азимуту, при этом используют две антенны в различных диапазонах волн с электронным управлением диаграммой в угломестной плоскости, при этом антенну с большей длиной волны используют для обзора пространства и обнаружения целей, а антенну с более короткой волной - для измерения ошибок сопровождения целей, размещают антенны на одном вращающемся основании, быстро и непрерывно вращают их, излучают обнаружительной антенной квазинепрерывный сигнал, обнаруживают отраженный от цели сигнал, запоминают в момент обнаружения азимут, угол места и радиальную скорость цели, вычисляют угловые интервалы совпадения азимута диаграммы измерительной антенны с азимутом обнаруженной цели, скачком перемещают на этих интервалах ее диаграмму на угол места цели и, зондируя это пространство сигналом с однозначной дальностью, осуществляют, с учетом измеренной при обнаружении цели ее радиальной скорости, допоиск цели по углу места в пределах ширины диаграммы обнаружительной антенны, определяют дальность цели и измеряют ошибки сопровождения цели по азимуту, углу места, дальности и скорости и рассчитывают текущие координаты и вектор скорости цели (патент на изобретение №2274875, МПК G01S 13/04, 2004 г.).
Недостатком данного способа является низкий темп сопровождения целей, ограниченный скоростью вращения РЛС.
Известен способ обнаружения и сопровождения траекторий объекта, техническим результатом которого является уменьшение уменьшения интервала времени между последовательными обращениями к объекту при обнаружении и сопровождении его траектории с помощью обзорной РЛС с ФАР, имеющей одномерное фазовое электронное сканирование по углу места, частотную чувствительность азимутального положения луча и механическое вращение по азимуту. Технический результат достигается за счет того, что осмотр j-го направления строба проводят на несущей частоте:
fjf0±j/K, где f0 - несущая частота зондирующего сигнала при осмотре зоны обзора РЛС; j (град) - угловое смещение по азимуту j-го направления строба относительно положения луча при излучении зондирующего сигнала на несущей частоте f0, j=1, 2 …, n, n - количество осматриваемых направлений по азимуту в стробе; К (град/МГц) - значение частотной чувствительности азимутального положения луча (патент на изобретение №2292563, МПК G01S 13/58, 2005 г.).
Недостатком данного способа является низкая помехоустойчивость, обусловленная жесткой привязкой углового смещения луча по азимуту к несущей частоте зондирующего сигнала и, как следствие, отсутствием возможности перестройки несущей частоты для отстройки от прицельных активных помех, и, кроме того, недостатком данного способа являются большие перерывы в обновлении информации по цели при выходе цели из сектора частотного сканирования по азимуту при вращении антенны.
Известен способ обзора пространства, который реализован в РЛС 5Н64 (Голубев Г. Сибирские радиолокаторы на страже неба России. - Воздушно-космическая оборона, 2002, №2(5)). В ней применена двухсторонняя ФАР с оптическим возбуждением и электронным сканированием лучом, вращающаяся механически вкруговую по азимуту. Обзор ведется одной стороной ФАР. При обнаружении цели для повышения темпа ее сопровождения ФАР переключает сторону излучения, когда цель находится со стороны противоположной от производящей обзор пространства, что позволяет вдвое уменьшить время обновления информации при сопровождении цели.
Недостатком данного способа является большое время обзора пространства, достигающее в РЛС 5Н64 12 с, что снижает вероятность обнаружения высокоскоростных и внезапно появляющихся целей.
Наиболее близким к заявляемому является способ обзора пространства, основанный на использовании вращающейся радиолокационной системы с электронным сканированием (ВРСЭС) (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, с.201-213). Для обзора пространства используется единственная вращающееся антенная решетка, которая обеспечивает электронное сканирование луча по азимуту и углу места при одновременном вращении по азимуту с помощью механических средств. 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. Скорость вращения выбирается достаточно высокой (а длительность оборота антенны достаточно низкой), чтобы обеспечить необходимую скорость обновления данных для сопровождения целей, а обзор пространства осуществляется ступенчатым методом, при котором обзор по углу места всей области пространства осуществляется за несколько оборотов антенны.
В системах типа ВРСЭС положение лучей и выполняемые функции выбираются в соответствии с отраженными сигналами, полученными в результате предыдущих зондирований.
Процесс обнаружения цели и захват ее на сопровождение производится следующим способом. В ВРСЭС 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 ВРСЭС обеспечивает экстраполяцию положения сопровождаемой цели и направляет лучи точно в ее экстраполированное положение, что позволяет обновлять данные сопровождения с высокой эффективностью. Для каждой цели формируются и выделяются специальные лучи, частота повторения импульсов (ЧПИ) и энергия сигналов оптимизируются с учетом параметров каждой цели, что позволяет исключить слепые дальности и скорости и максимизировать уровень сигнала по отношению к нежелательным отражениям, а это значительно улучшает непрерывность и длительность сопровождения.
Оптимизация процесса обзора осуществляется за счет изменения ширины луча, рабочей частоты, времени обзора, частоты обновления данных при сопровождении большого числа целей, ЧПИ и/или энергии (сигналов) в зависимости от режимов работы, условий применения средств РЭБ, погодных условий, угловых положений луча, и диапазона дальностей.
Обзор пространства осуществляется посредством изменения положения лучей в соответствии со следующими принципами:
1) Ступенчатое перемещение перекрывающихся по углу места лучей ступенями по 1 или более величин ширины луча в синусном пространстве (пространство, в котором углы отклонения пересчитываются в синусы этих углов), учитывая при этом угол наклона антенны. Число положений луча, необходимое для перекрытия всего объема пространства обзора, определяется в координатах синусного пространства, так как ширина луча для антенны с электронным сканированием инвариантна в синусном пространстве, что упрощает вычисления.
2) Уменьшение энергии (длительности импульсов и/или числа импульсов в пачке) и/или расширение луча по мере уменьшения дальности до цели и с учетом ограничения максимальной высоты обнаруживаемых целей.
Недостатками данного способа обзора пространства является большое время обзора пространства, а также то, что сопровождение с высоким темпом возможно только в секторе электронного сканирования ФАР по азимуту, типичное значение которого не превышает 120°, а затем следует перерыв, составляющий 2/3 времени оборота антенны, что приводит при сопровождении маневрирующих целей к большим угловым ошибкам, которые (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, с.211) пропорциональны второй степени длительности периода обновления информации.
Перед авторами стояла задача разработки способа радиолокационного обзора пространства для построения локатора, обеспечивающего сокращение времени обзора пространства и обнаружения целей и осуществление точного сопровождения целей с высоким темпом обновления информации.
Эта задача решена за счет того, что в известном способе радиолокационного обзора пространства, основанном на применении вращающейся радиолокационной системы с электронным сканированием по углу места и азимуту, использующем для измерения координат целей по азимуту и углу места моноимпульсный метод, оптимизирующий для обеспечения многофункциональной работы с распределением ресурсов функции обнаружения независимо от функций сопровождения, причем интервал времени за оборот антенны распределяется на интервалы обзора пространства и интервалы сопровождения, скорость вращения радиолокационной системы выбирают таким образом, чтобы обеспечить необходимую скорость обновления данных для сопровождения целей, используют две фазированные антенные решетки, обеспечивающие электронное сканирование луча по азимуту и углу места при одновременном вращении по азимуту, причем первая и вторая фазированные антенные решетки направлены в противоположные стороны, длительность, период следования и момент излучения зондирующих импульсов обеих фазированных антенных решеток совпадают, а управление угловым положением лучей фазированных антенных решеток осуществляют независимо.
Скорость вращения по азимуту изменяют по результатам предыдущих обзоров.
Заявляемый способ радиолокационного обзора пространства обладает совокупностью существенных признаков, не известных из уровня техники для объектов подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения.
Заявляемый способ радиолокационного обзора пространства, 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.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Обзор пространства осуществляется методом перебора всех позиций лучей для обзора за счет электронного сканирования каждой из антенн по углу места и за счет механического вращения по азимуту за один оборот радиолокационной системы, или ступенчатым методом, при котором обзор по углу места всей области пространства осуществляется за несколько оборотов антенны. Обзор может прерываться на сопровождение обнаруженных целей, но пропусков в обзоре пространства не допускается за счет последующего просмотра при помощи электронного перемещения луча. За счет использования двух одновременно работающих ФАР время обзора сокращается в два раза по сравнению с прототипом, что позволяет повысить вероятность обнаружения высокоскоростных и внезапно появляющихся целей при сохранении максимальной инструментальной дальности и разрешающей способности по углам.
Процесс обнаружения цели и захват ее на сопровождение производится следующим образом.
Начальное обнаружение превышения сигнала над порогом в одной из ФАР вызывает повторное направление луча в точку с координатами, где произошло обнаружение. Для этого используется возможность электронного сканирования ФАР 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 РЛС обеспечивает экстраполяцию положения сопровождаемой цели и направляет луч в ее экстраполированное положение, что позволяет обновлять данные сопровождения с высоким темпом. После того, как цель в результате вращения РЛС выходит из сектора электронного сканирования по азимуту одной ФАР, происходит передача сопровождения цели в другую ФАР. Как только цель появляется в секторе электронного сканирования второй ФАР, она продолжает сопровождаться с необходимым темпом. При типичном значении сектора электронного сканирования ФАР по азимуту 120°, максимальное время перерыва сопровождения составляет 1/6 времени оборота ФАР. Это значение в 4 раза меньше, чем при использовании способа-прототипа, что позволяет повысить точность сопровождения целей, особенно маневрирующих до 16 раз.
В случае отсутствия целей, обнаруженных по результатам предыдущих обзоров, скорость вращения радиолокационной системы может быть увеличена, поскольку не используются интервалы времени на сопровождение. В случае обнаружения целей и взятии их на сопровождение скорость вращения может меняться в течение одного оборота антенны с учетом реального распределения целей в пространстве, т.е. при сопровождении большого количества целей в ограниченном секторе по азимуту скорость вращения может замедляться, если цели находятся в секторе электронного сканирования одной из антенных решеток, и ускоряться при выходе целей из секторов электронного сканирования по азимуту.
Фазированные антенные решетки могут быть установлены с отклонением плоскости раскрыва от вертикали, чтобы увеличить угол электронного отклонения лучей от горизонта и расширить сектор электронного сканирования по углу места.
На предприятии-заявителе разработана конструкторская документация на радиолокационный модуль (РЛМ), реализующий заявляемый способ, изготовлен опытный образец РЛМ, испытания которого подтвердили работоспособность и эффективность способа по сравнению с прототипом. При использовании способа с вращением одной антенной решетки получено время обзора пространства 8 с, длительность перерыва в поступлении информации по сопровождаемой цели не более 1,5 с. При использовании заявляемого способа с вращением двух антенных решеток получено время обзора пространства 4 с, длительность перерыва в поступлении информации по сопровождаемой цели не более 0,5 с. Это подтверждает решение поставленной задачи заявляемым способом.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.