Верба В.С. Авиационные комплексы радиолокационного дозора и наведения. Состояние и тенденции развития. 2008

Подождите немного. Документ загружается.

Для малоразмерных ВЦ функция распределения ЭПР имеет вид

В зависимости от ракурса ВЦ определяются вид и параметры функции распре-

деления, конкретные значения которых многократно разыгрываются на имита-

ционной модели. По значению дальности до ВЦ рассчитывается требуемое для

обнаружения значение ЭПР.

Вероятность обнаружения

Возможен упрощенный вариант расчета вероятности обнаружения ВЦ,

при котором флуктуации ЭПР не учитываются. Тогда для квазинепрерывного

режима излучения бортовой РЛС обнаружение должно осуществляться на двух

частотах повторения. При этом рассчитывается реализуемое отношение сиг-

нал/помеха в приемном каннеле:

где - коэффициент, учитывающий мощность

и длину волны передатчика, потери в тракте на излучение и прием, уровень

шумов приемника, длину пачки зондирующего сигнала, абсолютные значения

коэффициентов усиления антенны, размерности всех входящих в формулу ве-

личин; η - коэффициент затенения ДНА корпусом авиационного носителя.

С учетом принятого варианта зондирования и обработки РЛИ наиболее

целесообразно использовать модель дружнофлуктуирующей отраженной пачки

со случайной амплитудой и фазой.

Для отношения сигнал/помеха (S

) можно записать выражение

где Р

ап

- отношение мощности активных помех при обнаружении к собствен-

ным шумам приемника; Р

шп

- отношение мощности шумов генератора и не-

сущей частоты, переотраженных подстилающей поверхностью в зоне действия

комплекса, к мощности собственных шумов приемника; Р

пп

- отношение

средней мощности отражений от подстилающей поверхности (в канале дально-

сти) к мощности собственных шумов приемника (для конкретного типа под-

стилающей поверхности).

Предполагая, что за время облучения ВЦ ее ЭПР остается неизменной, по-

лучим вероятность ее обнаружения на одной (Pi), двух (Рг) и трех (Р

) частотах

повторения:

где P(S

) - вероятность обнаружения нефлуктуирующей ВЦ на одной частоте

повторения

Ιο - функция Бесселя 1-го рода нулевого порядка.

Величина порога П

обнаружения задается вероятностью Р

лт

ложной тре-

воги как

Особенностью учета влияния на характеристики обнаружения активно-

шумовых помех (АШП), воздействующих на бортовую РЛС с квазинепрерыв-

ным излучением сигналов, является необходимость последовательной оценки

уровня помех в каждом дальностно-доплеровском канале. При этом в отличие

от моделирования импульсных РЛС оценивается не только маскирующий эф-

фект со снижением дальности обнаружения ВЦ, но и определяются уровни по-

мех в каналах, превысивших порог обнаружения, которые используются для

имитации дополнительных ложных отметок, выдаваемых на подсистему вто-

ричной обработки РЛИ.

2.8.3. Обнаружение загоризонтных воздушных целей

В этом режиме при обнаружении сигналов ВЦ отсутствуют помеховые

сигналы, обусловленные отражениями от подстилающей поверхности. Поэтому

нет необходимости селекции сигналов цели на фоне отраженных сигналов по-

верхности при помощи доплеровской фильтрации.

В структуре БРЛС используются общие для всех режимов устройства: ан-

тенна, фазовращатели, система защиты приемника и малошумящий усилитель.

Затем общие сигналы разделяются и для режима наблюдения загоризонтных

ВЦ используется отдельный приемник с оптимизированными для данного ре-

жима характеристиками. Такое конструктивное решение, кроме того, позволяет

вести одновременный обзор пространства в двух режимах.

Дальность обзора загоризонтных ВЦ простирается от границы радиогори-

зонта до максимальной дальности прямого наблюдения - 400.. .700 км.

Для однозначного измерения дальности используется режим НЧП. Так,

при F

= 200 Гц однозначное соответствие задержки сигнала и дальности

обеспечивается до дальности R = 750 км. При этом не требуется излучение

сигналов на различных частотах повторения, что уменьшает потери энергии

сигнала.

Уменьшение энергии сигнала, обусловленное более низкой частотой по-

вторения (примерно в 100 раз), компенсируется увеличением длительности

сигнала до 30... 100 мкс, а для сохранения разрешающей способности по даль-

ности применяется внутриимпульсная модуляция (линейная частотная) с ко-

эффициентом сжатия 100... 150.

Число накапливаемых импульсов за время облучения невелико

(5-6). Для упрощения системы обработки и исключения потерь энергии при

спектральной доплеровской фильтрации используется некогерентное накопле-

ние импульсов за время облучения. Потери по сравнению с когерентным нако-

плением невелики (1 дБ).

Для увеличения вероятности обнаружения и повышения помехозащищенно-

сти возможно изменение несущей частоты зондирующего сигнала от импульса к

импульсу для раскорреляции амплитуды отраженного от цели сигнала (пачка бы-

строфлуктуирующих импульсов). По той же вероятности правильного обнаруже-

ния требуемое отношение сигнал/шум уменьшается на 3.. .4 дБ (см. рис. 2.16).

На рис. 2.20 представлена структура алгоритма обнаружения загоризонт-

ных воздушных целей.

Рис. 2.20

На входе УПЧ проводится стробирование зоны обзора по дальности (за-

держке). Частотная характеристика УПЧ (фазовая и амплитудная) обеспечива-

ет селекцию спектра импульсного сигнала цели. На выходе УПЧ при помощи

ультразвуковой линии задержки проводится сжатие импульса с внутриим-

пульсной частотной модуляцией и амплитудное детектирование выходных

сигналов.

Во всей зоне обзора по дальности выходные сигналы амплитудного детек-

тора стробируются по задержке. Обычно число стробов (отсчетов) на элемент

разрешения по дальности выбирается с учетом допустимого уровня потерь

энергии сигнала и последующей сложности системы обработки (1,0-2,0). В ка-

ждом отдельном стробе проводится некогерентное накопление (суммирование)

пачки принимаемых за время облучения цели импульсов.

Сигнал на выходе каждого строба после суммирования сравнивается с

порогом обнаружения, определяемым уровнем помехового сигнала и задан-

ной вероятностью ложной тревоги. Обычно порог на 6...8 дБ больше СКО

помехи.

Параметры обнаруженных сигналов: номер строба задержки (дальность)

(на рис. показаны четыре строба) и положение луча ДНА в момент обнаруже-

ния (азимут и угол места) в цифровом виде поступают в процессор сопровож-

дения цели. Скорость цели определяется по изменению задержки (дальности)

от обзора к обзору.

2.8.4. Обнаружение надводных целей

Сигналы надводных целей обнаруживаются на фоне помех (внутренний

шум, активные помехи) и сигналов, отраженных от морской поверхности.

Уровень сигнала фона морской поверхности определяется площадью раз-

решаемого элемента 58 = бД51 и удельной ЭПР морской поверхности σ

(см. рис. 2.6, 2.7).

Отношение сигнал/фон можно представить как , где 5S - разре-

шаемая площадка фона, равная 6ДО

Д. Например, при наблюдении катера

«Пегас» (а

=180м ) на фоне взволнованной морской поверхности (5...6

баллов) на дальности Д = 300 км удельная ЭПР моря σ

=10

-4

. Разрешаемая

площадка 6S при равна 1,510 м .

ЭПР фона , что обеспечивает обнаружение це-

ли типа «катер».

2.8.5. Особенности алгоритмов обнаружения воздушных целей БРЛС,

работающей в Р-диапазоне

Отличительной особенностью БРЛС комплексов РЛДН корабельного ба-

зирования (например, AN/APS-145 комплекса Е-2С Хокай) является использо-

вание Р-диапазона излучения (430...450 МГц). В этом диапазоне (λ = 70 см) в

семь раз уменьшается диапазон доплеровских частот, что позволяет использо-

вать НЧП режим для обнаружения как надводных, так и воздушных целей.

При частоте повторения F

= 300 Гц обеспечивается однозначное измере-

ние ДаЛЬНОСТИ - Д

акс = 500 КМ.

Неоднозначность по скорости цели составляет 100 м/с

(360 км/ч) и устраняется в процессе изменения дальности от одного обзора к

другому (Т

бз = Юс).

Время облучения цели определяется шириной ДН антенны (6...7°) и со-

ставляет 170...190 мс. При обнаружении ВЦ время облучения разбивается на

3—4 этапа по Т

= 50 мс, на каждом из которых проводится доплеровская

фильтрация сигналов цели (БПФ).

Разрешающая способность по частоте и по скорости

, что позволяет измерять радиальную скорость цели с точно-

стью 1...2 м/с. Сигналы в каждом элементе разрешения по частоте, полученные

на трех этапах когерентной обработки, суммируются (некогерентно) и посту-

пают на пороговое устройство обнаружения цели.

Благодаря однозначности по дальности мощные сигналы ближней зоны

(альтиметр, импульсы передатчика) бланкируются по задержке и не влияют на

обнаружение сигналов целей, расположенных вне зоны бланкирования.

Основное влияние на обнаружение ВЦ оказывает фон - отраженные от

морской поверхности сигналы, принимаемые по основному и боковым лепе-

сткам ДН антенны. Хотя удельная ЭПР взволнованной морской поверхности

в Р-диапазоне на 5... 10 дБ меньше по сравнению с ЭПР в S-диапазоне, ши-

рина ДНА и, соответственно, разрешаемая площадка фона в семь раз больше,

что определяет примерно одинаковый уровень фона в одном элементе раз-

решения.

Для подавления фона в основном лепестке ДНА используется трехим-

пульсный режектор фона, а по боковым лепесткам - режим селекции движу-

щихся целей (СДЦ) с использованием моноимпульсной антенны [13]. В этом

режиме формируется провал ДНА в направлении разрешаемого элемента фона,

имеющего ту же доплеровскую частоту, что и сигнал цели.

2.8.6, Зоны обзора и режимы работы БРЛС

Круговая зона обзора БРЛС может разбиваться на 16-32 секторов, в каж-

дом из которых может быть задан любой режим работы. Кроме простых режи-

мов, предназначенных для наблюдения за определенным классом целей, воз-

можны комбинированные режимы, получаемые в результате сочетания про-

стых режимов. Частота смены простых режимов в процессе обзора в любом из

комбинированных режимов выбирается из условия обеспечения непрерывно-

сти сканирования пространства в пределах заданного сектора.

В качестве примера возможных простых и комбинированных режимов

АК РЛДН далее представлены варианты их сочетания при решении задач на-

блюдения воздушных, надводных и радиоизлучающих целей.

1. Комбинированный импульсно-доплеровский ВЧП режим с быстрым

сканированием ДНА по углу места и режим НЧП.

В данном режиме обеспечивается обнаружение воздушных целей на фоне

земной поверхности, а также загоризонтных воздушных целей и надводных це-

лей на предельных дальностях. Он является универсальным и используется

наиболее часто. Однако по дальности обнаружения он уступает другим про-

стым и комбинированным режимам без сканирования по углу места.

2. Импульсно-доплеровский режим с большой длительностью излучаемых

импульсов. В этом режиме автоматическое сканирование ДН по углу места не

осуществляется, а ее положение в вертикальной плоскости устанавливается

оператором вручную в пределах максимального сектора сканирования. Данный

режим позволяет обнаруживать воздушные цели, определять дальность до них

и радиальную скорость (высота не определяется). Применение больших перио-

дов накопления при доплеровской обработке сигнала увеличивает вероятность

и дальность обнаружения малоразмерных целей.

3. Загоризонтный режим с НЧП с ручной установкой луча ДН антенны в

положение угла места 1...2°. Режим обеспечивает обнаружение воздушных це-

лей на предельных дальностях.

4. Режим НЧП наблюдения только за надводными целями на предельной

(до радиогоризонта) дальности. Луч ДН антенны устанавливается оператором в

направлении радиогоризонта.

5. Импульсно-доплеровский режим с медленным сканированием по углу

места и загоризонтный режим НЧП. В данном режиме предполагается использо-

вание импульсов большой длительности и увеличенных интервалов накопления

при доплеровской обработке отраженных сигналов. Он обеспечивает наблюдение

за малоразмерными воздушными целями на больших дальностях, но чувстви-

тельность РЛС в загоризонтном режиме несколько ниже, чем во втором режиме.

6. Импульсно-доплеровский режим с медленным сканированием по углу

места и пассивный режим РТР. Станция работает с импульсами большой

длительности при одновременном медленном сканировании по углу места, че-

редуясь с работой РТР.

7. Импульсно-доплеровский режим с быстрым сканированием по углу

места и режим НЧП наблюдения за надводными целями. Дополнительно воз-

можно использование загоризонтного режима. При этом обеспечиваются обна-

ружение воздушных целей на фоне шумов от подстилающей поверхности и

измерение их высоты, а также надводных целей на средних дальностях. Могут

также выделяться цели с малыми скоростями. Недостаток этого режима - огра-

ниченные возможности по подавлению мешающих отражений от подстилаю-

щей поверхности.

8. Импульсно-доплеровский режим с большой длительностью импульсов

и ручной установкой луча ДНА в угломестной плоскости и режим наблюдения

за надводными целями. Он обеспечивает высокую чувствительность при обна-

ружении воздушных целей. Загоризонтные цели не обнаруживаются.

9. Импульсно-доплеровский режим с медленным сканированием по углу

места и режим наблюдения за надводными объектами. Он обеспечивает высо-

кую эффективность при обнаружении малоразмерных воздушных целей. Воз-

можность наблюдения морских целей несколько понижена.

10. Импульсно-доплеровский режим с импульсами малой длительности и

режим наблюдения за надводными целями. Обеспечивает высокую эффектив-

ность обнаружения воздушных и морских целей.

11. Пассивный

режим с быстрым сканированием по углу места и загори-

зонтный режим. Импульсно-доплеровский сигнал не излучается, в то время как

приемная подсистема доплеровской обработки обнаруживает цели, излучаю-

щие сигналы в частотном диапазоне РЛС. Путем быстрого сканирования при-

емной диаграммы направленности по углу места обеспечивается определение

высоты воздушных целей. Данный режим чередуется с загоризонтным, позво-

ляющим обнаруживать цели на большом удалении.

12. Пассивный и загоризонтный режимы. Они обеспечивают наблюдение в

широком диапазоне частот источников радиоизлучения и радиоэлектронной

обстановки на предельных дальностях.

13. Пассивный

режим и режим наблюдения надводных целей. Они исполь-

зуются для обнаружения надводных и воздушных источников радиоизлучения,

а также обнаружения надводных целей на больших дальностях.

По команде оператора РЛС одновременно функционируют в двух любых

из рассмотренных выше режимах, при этом каждый из них может назначаться

основным или вспомогательным. Частота повторения вспомогательного ре-

жима может изменяться в некоторых пределах. Например, при выборе значе-

ния частоты повтора, равного пяти, в каждом пятом цикле сканирования бу-

дет использоваться вспомогательный режим, в то время как основной режим

будет использоваться в первых четырех из пяти циклов сканирования. Выбор

режимов работы станции программируется членами экипажа самолета на эта-

пе планирования полетного задания, а также может осуществляться в ходе

полета в зависимости от решаемых задач и условий наблюдения.

Литература

1. Богданов А.В., Филонов А. . Применение узкополосной доплеровской фильтрации в много-

функциональных радиолокационных комплексах. - Тверь: ΒΑ ΒΚΟ, 2006.

2. Бортовые радиолокационные станции военной авиации зарубежных стран (Аналитический

обзор по материалам открытой печати). / Под ред. B.C. Вербы и СВ. Яголъникова. - Тверь :

2 ЦНИИ МО РФ, 2005.

3. Верба B.C. Методический подход к оценке характеристик обнаружения и сопровождения

воздушных целей бортовой Ρ Л С, применяющей квазинепрерывное излучение сигналов. - Ра-

диотехника, 2006, № 1.

4. Верба B.C. Обнаружение наземных объектов. Радиолокационные системы обнаружения и на-

ведения воздушного базирования. - М.: Радиотехника, 2007.

5. Верба B.C. Тенденции развития авиационных и космических средств информационной раз-

ведки и дозора. // Наукоемкие технологии, 2004, №№ 8,9.

6. Верба B.C. Формирование режима обнаружения и распознавания наземных целей в много-

функциональном авиационном комплексе разведки, оповещения и управления. - Радиотех-

ника, 2006, № 1.

7. Верба B.C., Вакуленко А.А., Дод В.Н., Пильщиков Д. Ε. Методика выбора в реальном масштабе

времени эффективного варианта цифровой обработки радиолокационной информации в мно-

гофункциональном радиотехническом комплексе с трассовым выходом. - Радиотехника,

2005, № 5.

8. Верба B.C., Гандурин В.А. Радиолокатор с синтезированной апертурой на высотном беспи-

лотном дирижабле. - Антенны, 2004, №№ 8, 9.

9. Верба B.C., Гандурин В.А., Трофимов А.А. Бортовая РЛС для перспективного многофункцио-

нального авиационного комплекса разведки, оповещения и управления с цифровой АФАР. -

Наукоемкие технологии, 2004, №№ 8,9.

10. Верба B.C., Мирошниченко А.В., Морозов Ю.А. Выбор варианта бортовой РЛС с АФАР для

многофункционального авиационного комплекса разведки, оповещения и управления. - Ра-

диотехника, 2006, № 1.

11. Кондратенков Г.С, Фролов, А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционно-

го зондирования Земли / Под ред. Г.С. Кондратенкова. - М.: Радиотехника, 2005.

12. Кондратенков Г.С, Хотлянник В.А., Иванисов Б.А. Статистические характеристики сигналов

РСА дециметрового диапазона. - Радиотехника, № 3, 2000.

13. Clarke J. Airborne Early Warning Radar. - Proc. JEEE, February, 1985.

14. Мог chin W.C. Airborne Early Warning Radar. - Artech House, 1990.

15. Morchin W.C. Radar engineer's sourcebook. - Artech House, 1993.

16. Stimson G. W. Introduction to Airborne Radar. - SciTech publishing, Inc, 1998.

ГЛАВА 3

СИСТЕМЫ И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ

РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ

3.1. Алгоритмы первичных измерений координат целей

Характеристики первичных радиолокационных измерений координат це-

лей во многом определяют основные показатели информативности всего

АК РЛДН. Являясь источником данных для системы сопровождения, они уста-

навливают пределы возможностей обеспечения полноты и достоверности трас-

совой информации. Эта информация используется при решении задач дозора,

раннего предупреждения, управления и других функций комплекса РЛДН. Ал-

горитмы формирования первичных измерений вместе с алгоритмами об-

наружения целей определяют все важнейшие тактико-технические характери-

стики радиотехнического комплекса [5, 7, 8].

Общие положения о структуре алгоритмической обработки следуют из

принципиальных технических решений, положенных в основу создания кон-

кретных РЛС АК РЛДН. В подобных РЛС применяется узкополосный зондирую-

щий сигнал. Поэтому обычно пространственно-временная обработка сигнала

реализуется в два последовательных этапа: пространственная обработка элек-

тромагнитного поля в антенной системе и обработка временного сигнала в при-

емном тракте. При этом на этапе обработки временного сигнала разделяются

процедуры обнаружения и измерения параметров сигнала, которые проводятся в

физически различных вычислительных устройствах. Операции по измерению

параметров сигналов и формированию первичных измерений проводятся в про-

цессоре обработки сигналов, а алгоритмы измерения координат используют дан-

ные сигнального процессора. В многорежимной РЛС АК РЛДН при каждом ре-

жиме работы используется свой комплекс алгоритмов, предназначенный для ре-

шения соответствующих задач с учетом особенностей входной информации.

3.1.1. Характеристики данных сигнального процессора

В режиме излучения с высокой частотой повторения проводится коге-

рентная обработка импульсной последовательности (кадра обработки) с фик-

сированной частотой повторения. Обнаружение сигналов цели проводится в

каждом элементе разрешения по задержке (неоднозначной дальности) и в каж-

дом доплеровском фильтре [4]. Для устранения неоднозначности измерения

дальности применяется смена частот повторения от кадра к кадру. За время ра-

диолокационного контакта обрабатывается несколько кадров с различными

частотами повторения.

Число каналов дальности обычно равно текущей скважности излучения

или превышает ее, так как для уменьшения энергетических потерь темп съема

данных увеличивается по сравнению с длительностью отраженного импульса.

Число доплеровских каналов соответствует числу отсчетов принимаемых сиг-

налов в кадре когерентной обработки.

При непрерывном сканировании по азимуту и углу места результаты об-

работки на каждом кадре соответствуют некоторому среднему положению ан-

тенны за время длительности кадра. При превышении порога обнаруженная

отметка имеет следующие параметры (данные): текущий средний азимут и

угол места кадра, номер канала неоднозначной дальности, номер канала часто-

ты и амплитуду. Если в антенной системе формируются парциальные прием-

ные каналы, то такие данные имеются по каждому каналу. Вследствие взаим-

ного перекрытия характеристик каналов сигнал, отраженный от одиночной то-

чечной цели, может занимать несколько элементов обнаружения по каждой из

четырех координат: азимуту, дальности, частоте и углу места.

При согласованной обработке амплитудное распределение сигналов то-

чечных целей в координатах задержка-частота повторяет функцию неопреде-

ленности зондирующего сигнала, дискретизированную по каналам дальности и

частоты. После обнаружения формируется «срез» функции неопределенности

по пороговому уровню.

Число обнаруживаемых отметок в частотных каналах определяется ам-

плитудой сигнала и формой весовой функции, которая используется в проце-

дуре БПФ для снижения уровня боковых лепестков спектра сигнала. Широко

применяемое окно типа «косинус квадрат» обычно дает не более трех-четырех

обнаружений в смежных каналах.

Протяженность отметок по дальности (число каналов задержки) зави-

сит от соотношения между длительностью импульса и частотой выборки и для

сигналов точечной цели средней мощности составляет два канала. На рис. 3.1

приведен пример распределения отметок при наблюдении групповой цели.

При работе над слабошероховатыми поверхностями (спокойное море,

степь, пустыня) может иметь место двойное распространение отраженной от

цели волны вследствие зеркального переотражения от подстилающей поверх-

ности. Это приводит к формированию и обнаружению переотраженного под-

стилающей поверхностью сигнала - «антипода» цели. Отметки «антипода» не-

значительно отличаются по параметрам от отметок цели. Различие в доплеров-

ских частотах практически отсутствует. Разница дальностей отметок опреде-