Радиолокационная система

Полезная модель относится к радиолокации и может быть использована для радиолокационного обнаружения воздушных и наземных целей.

Радиолокационная система, содержащая возбудитель, делитель мощности, вход которого соединен с выходом возбудителя, первую систему фазовращателей, первый вход которой соединен с выходом делителя мощности, систему усилителей, первый вход которой соединен с первой системой фазовращателей, согласующие цепи, вход которых соединен с выходом системы усилителей, активную фазированную антенную решетку, вход которой соединен с выходом согласующих цепей, систему управления лучом, первый выход которой соединен со вторым входом первой системы фазовращателей, модулятор, выход которого соединен со вторым входом системы усилителей, дополнительно введены вторая система фазовращателей, первый вход которой соединен с выходом активной фазированной антенной решетки, а второй вход - со вторым выходом системы управления лучом, блок малошумящих усилителей, вход которого соединен с выходом второй системы фазовращателей, блок квантования сигналов, вход которого соединен с выходом блока малошумящих усилителей, блок вычисления корреляционных функций, вход которого соединен с выходом блока квантования сигналов, блок вычисления бинарных корреляционных матриц, вход которого соединен с выходом блока вычисления корреляционных функций, сумматор, вход которого соединен с выходом блока вычисления бинарных корреляционных матриц, а выход - со входом системы управления лучом; сигнальный процессор, вход которого соединен с выходом сумматора.

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 малоразмерных ЛА, летящих со скоростью 0,8М, на фоне подстилающей поверхности приводят к значительным сложностям обнаружения. Кроме этого, для ЛА, перемещающихся по различным траекториям, существенно может сокращаться время их сопровождения, появляться перерывы в поступлении информации, связанные с так называемыми зонами резекции, обусловленными доплеровским режимом работы РЛС.

Одной из наиболее жизненно важных систем РЛС является антенный модуль, в значительной степени определяющий характеристики комплекса в целом: точность обнаружения и наведения, дальность действия, возможность многофункциональной работы в помеховых условиях. Для распознавания малоразмерных целей, например крылатых ракет с ЭПР <0,1 м², в РЛС в последнее время стали использовать активные фазированные антенные решетки (АФАР), имеющие существенно расширенную, по сравнению с обычными антеннами, рабочую полосу частот, и передающие и принимающие сверхкороткие (порядка 1 нс и короче) радио и видеоимпульсы. Это потребовало от радаров применение электрического сканирования луча и увеличения излучаемой мощности.

Вместе с тем, остро встают вопросы обработки сигналов при обнаружении и дальнейшем сопровождении высокоскоростных малоразмерных целей.

Наиболее близкой к описываемой системе является РЛС, содержащая возбудитель, делитель мощности, вход которого соединен с выходом возбудителя, первую систему фазовращателей, первый вход которой соединен с выходом делителя мощности, систему усилителей, первый вход которой соединен с первой системой фазовращателей, согласующие цепи, вход которых соединен с выходом системы усилителей, активную фазированную антенную решетку, вход которой соединен с выходом согласующих цепей, систему управления лучом, первый выход которой соединен со вторым входом первой системы фазовращателей, модулятор, выход которого соединен со вторым входом системы усилителей (прототип, [3], стр.34, рис.2.1).

Цель полезной модели - улучшение разрешающей способности и точности оценивания всех необходимых фазовых координат при комплексной обработке сигналов РЛС.

Поставленная цель достигается тем, что в радиолокационную систему, содержащую возбудитель, делитель мощности, вход которого соединен с выходом возбудителя, первую систему фазовращателей, первый вход которой соединен с выходом делителя мощности, систему усилителей, первый вход которой соединен с системой фазовращателей, согласующие цепи, вход которых соединен с выходом системы усилителей, активную фазированную антенную решетку, вход которой соединен с выходом согласующих цепей, систему управления лучом, первый выход которой соединен со вторым входом первой системы фазовращателей, модулятор, выход которого соединен со вторым входом системы усилителей, дополнительно введены вторая система фазовращателей, первый вход которой соединен с выходом активной фазированной антенной решетки, а второй вход - со вторым выходом системы управления лучом, блок малошумящих усилителей, вход которого соединен с выходом второй системы фазовращателей, блок квантования сигналов, вход которого соединен с выходом блока малошумящих усилителей, блок вычисления корреляционных функций, вход которого соединен с выходом блока квантования сигналов, блок вычисления бинарных корреляционных матриц, вход которого соединен с выходом блока вычисления корреляционных функций, сумматор, вход которого соединен с выходом блока вычисления бинарных корреляционных матриц, а выход - со входом системы управления лучом, сигнальный процессор, вход которого соединен с выходом сумматора.

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 - пояснения к вычислению корреляционных функций.

Устройство включает: возбудитель 1, делитель мощности 2, первую (вторую) системы фазовращателей 3 (8), систему усилителей 4, согласующие цепи 5, активную фазированную антенную решетку (АФАР) 6, систему управления лучом 7, блок малошумящих усилителей (МШУ) 9, блок квантования сигналов 10, блок вычисления корреляционных функций 11, блок вычисления бинарных корреляционных матриц 12, сумматор 13, сигнальный процессор 14.

Устройство работает следующим образом.

В предлагаемом решении антенны представляют собой АФАР 6, преимущества которых по сравнению с параболическими антеннами очевидны. По установившейся терминологии АФАР называется многоканальная антенна, у которой к каждому излучателю подключен передатчик (усилитель мощности) или приемник. Решетка излучателей образует апертуру антенны и состоит из набора одинаковых слабонаправленных излучателей (вибраторных, щелевых, рупорных, волноводных), расположенных обычно в узлах прямоугольной или косоугольной сетки. Система формирования и управления положением луча 7 антенны 6 создает необходимое распределение амплитуд и фаз сигнала в излучателях решетки. Эта система содержит набор усилителей мощности 4, набор фазовращателей 3, а также набор согласующих цепей 5. Каждый излучатель соединяется последовательно с согласующей цепью 5, усилителем мощности 4 и фазовращателем 3, образуя один канал АФАР.

Делитель мощности 2 обеспечивает распределение сигнала от одного источника (общего возбудителя 1) по всем каналам АФАР. В общем случае таких каналов может быть NxL.

Каждый отраженный сигнал, поступающий с АФАР 6 через вторую систему фазовращателей 8, которая в свою очередь, управляется блоком 7 (система управления лучом), рассматривается как реализация некоторого случайного процесса, вероятностные характеристики которого подлежат определению. Выбор этих характеристик обусловлен особенностями зондирующего сигнала, способом обработки отраженного и теми задачами, которые должна решать РЛС.

Экспериментально установлено, что поле, отраженное от реальных объектов сложной формы, обладает стохастической природой [5]. Случайное электромагнитное поле характеризуется тремя декартовыми составляющими электрического вектора поля E_i(R, t), (i=x, y, z), аргументами которых служат координаты точки наблюдения R (x, у, z) и времени t. Вне области, занятой источниками, полное поле удовлетворяет стохастическому волновому уравнению с заданными случайными граничными и детерминированными начальными условиями. В нашем случае случайный характер граничных условий обусловлен движением ЛА в неоднородной атмосфере, что в сочетании с многолепестковой структурой поля приводит к случайным флуктуациям E_i (R, t). Устойчивыми характеристиками пространственно-временного случайного поля E_i(R, t) служат вероятностные характеристики. Будем рассматривать характеристики отражения волн от объектов, габаритные размеры которых значительно превышают длину волны поля излучения.

Основным фактором амплитудных и фазовых характеристик случайного отраженного поля, определяемых в фиксированной точке пространства при условии, что время распространения падающей волны вдоль рассеивающего объекта много меньше длительности излучаемого сигнала, служат вероятностные характеристики. Тогда такой объект эквивалентен точечному отражателю с такими же, как у объекта, вероятностными характеристиками. Основную часть этих характеристик составляют вероятностные характеристики эффективной площади рассеяния (ЭПР), играющие важную роль в оценке радиолокационной заметности объектов, облучаемых некогерентными сигналами большой длительности.

В [4] показано, что стационарность, как класс случайных процессов, означает, что одномерная плотность распределения ЭПР и ее два первых момента не зависят от начала отсчета времени. Также известно [5], что корреляционная функция B() обращается в нуль, если флуктуации ЭПР, определенные в любые два момента времени, статистически независимы.

Таким образом, корреляционная функция характеризует взаимосвязь флуктуаций ЭПР в различные моменты времени. Отраженный и зондирующий сигналы связаны между собой простым соотношением [5]

где - задержка во времени отраженного сигнала относительно зондирующего; =4V_r/ - доплеровская частота, обусловленная радиальной скоростью V_r движения объекта.

Каждый отраженный сигнал рассматривается как реализация некоторого случайного процесса, вероятностные характеристики которого подлежат определению. Выбор этих характеристик обусловлен особенностями зондирующего сигнала и способом обработки отраженного.

Пусть с n-го канала (выход блока МШУ 9) поступает узкополосный отраженный от объекта сигнал в виде

где _n(t) - комплексная амплитуда, учитывающая частотную модуляцию сигнала.

На фиг.2а, б, в представлены реализации огибающих последовательно отраженных сигналов. Расположим эти реализации одна над другой.

В моменты времени t_i и t_j осуществим стробирование сигнала (блок 10), и в каждом из n стробируемых каналов выделим огибающую последовательности импульсов a_i(t) и a _j(t) (фиг.3а, б). Нормированная корреляционная функция

будет зависеть не только от временного сдвига , но и от положения точек t_i и t_j в пределах длительности сигнала, полученного с каждого n-го канала.

Статистическая взаимосвязь между a _i(t) и a_j(t) n-го канала определяется корреляционной матрицей вида (блок 11 вычисления корреляционных функций (3) по каждому n-му каналу). Данные корреляционные матрицы (блок 11) удобно представлять в бинарной форме, считая единицей все элементы матрицы, для которых , и нулем, когда (блок 12).

Осуществляя объединение всех матриц (блок 13), получим в каждый момент времени матрицу размерностью NxL, которая дает наглядное представление о лоцируемом объекте.

Выход блока 13 связан с системой управления лучом 7 и сигнальным процессором 14, осуществляющим дальнейшую обработку сигналов.

Таким образом, предлагаемое решение позволяет улучшить разрешающую способность и точность оценивания всех необходимых фазовых координат при комплексной обработке сигналов РЛС.

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. Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д.И.Воскресенского, А.И.Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004. - 488 с.

4. Б.Р.Левин Теоретические основы статистической радиотехники - 1 т. М.: Советское радио, 1969. - 752 с.

5. Е.А.Штагер «Рассеяние радиоволн на телах сложной формы». - М.: Радио и связь, 1986. - 184 с.

Радиолокационная система, содержащая возбудитель, делитель мощности, вход которого соединен с выходом возбудителя, первую систему фазовращателей, первый вход которой соединен с выходом делителя мощности, систему усилителей, первый вход которой соединен с первой системой фазовращателей, согласующие цепи, вход которых соединен с выходом системы усилителей, активную фазированную антенную решетку, вход которой соединен с выходом согласующих цепей, систему управления лучом, первый выход которой соединен со вторым входом первой системы фазовращателей, модулятор, выход которого соединен со вторым входом системы усилителей, дополнительно введены вторая система фазовращателей, первый вход которой соединен с выходом активной фазированной антенной решетки, а второй вход - со вторым выходом системы управления лучом, блок малошумящих усилителей, вход которого соединен с выходом второй системы фазовращателей, блок квантования сигналов, вход которого соединен с выходом блока малошумящих усилителей, блок вычисления корреляционных функций, вход которого соединен с выходом блока квантования сигналов, блок вычисления бинарных корреляционных матриц, вход которого соединен с выходом блока вычисления корреляционных функций, сумматор, вход которого соединен с выходом блока вычисления бинарных корреляционных матриц, а выход - со входом системы управления лучом, сигнальный процессор, вход которого соединен с выходом сумматора.