Анализ интерференционной структуры элемента разрешения в многопозиционных обзорных пространственно-когерентных радиолокационных комплексах с остронаправленными антеннами Текст научной статьи по специальности «Физика»

Электронное научно-техническое издание

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Зл № ФС 77 - 30569. Государственная регистрация №0421100025. ISSN 1994-0406

Анализ интерференционной структуры элемента разрешения в многопозиционных обзорных пространственно-когерентных радиолокационных комплексах с остронаправленными антеннами

77-30569/248808

# 11, ноябрь 2011

Нониашвили М. И., Крючков И. В., Нефедов С. И.

УДК 621.396.96

НИИ РЭТ МГТУ им. Н.Э.Баумана [email protected] [email protected] [email protected]

Одним из путей увеличения информативности РЛС и улучшения их тактико-технических характеристик является переход к многопозиционным комплексам. В обсуждениях преимуществ таких комплексов некоторыми специалистами утверждается о невозможности их использования для решения задач обзора. Действительно, когда мы говорим о многопозиционном комплексе, все общепринятые в однопозиционной локации теоретические положения существенно изменяются, особенно при переходе к пространственно-когерентному варианту построения такого комплекса [1]. Отчасти, теория многопозиционных когерентных систем рассмотрена в [2]. В последние годы за рубежом были опубликованы теоретические работы по MIMO радиолокации [3-6], в некоторой степени применимые для выполнения расчетов и по пространственно когерентным комплексам. В то же время, в упомянутых работах, как правило, рассматриваются случаи наблюдения целей, которые находятся в пределах ширины главного лепестка диаграммы направленности каждой из позиций в многопозиционном комплексе. При этом проблемы обзора большой области пространства для случая остронаправленных антенн обычно опускаются. В [6] были введены понятия «пространственный элемент разрешения» и «зона обнаружения» для многопозиционного комплекса и рассмотрена методика их построения. При этом внутренняя интерференционная структура элемента рассмотрены не были.

Целью данной работы является исследование интерференционной структуры пространственного элемента разрешения в обзорном многопозиционном радиолокационном комплексе, выполненным по полностью пространственно-когерентной схеме. Такой комплекс можно назвать радиолокационным интерферометром. В данной статье предлагается методика построения интерференционной структуры в пределах «пространственного элемента разрешения», а также исследование влияния величины базы комплекса и количества станций, входящих в его состав, на интерференционную структуру.

Простейший интерферометр, состоящий из двух позиций, показан на рис. 1. Обработка принимаемых сигналов от двух позиций заключается в их когерентном сложении. При этом, в зависимости от направления на источник сигнала (цель), сигналы могут складываться как синфазно, так и противофазно, образуя известную картину интерференционных максимумов и минимумов, показанную на рис. 2.

Все максимумы соответствуют направлениям прихода, для которых сигналы позиций складываются синфазно. В двухпозиционном интерферометре такие максимумы имеют одинаковую амплитуду и отстоят друг от друга на угловое расстояние приблизительно XIЬ соб« [радиан], где X - рабочая длина волны, Ь - база интерферометра, а ф - направление прихода сигнала, отсчитываемое от нормали к базовой линии.

Основной целью применения интерферометрии является получение весьма малой ширины лепестков диаграммы направленности. Это достигается уменьшением рабочей длины волны и увеличением длины базы интерферометра. Малая ширина лепестка диаграммы направленности позволяет определять направление прихода сигнала (направление на цель) с высокой точностью. Точность измерения угловых координат в интерферометрическом режиме во столько раз больше точности их измерения одной РЛС, во сколько раз длина базы интерферометра больше размеров антенны РЛС.

выход

Рис. 1. Простейший двухпозиционный интерферометр

о

Рис. 2. Диаграмма направленности двухпозиционного интерферометра

Однако, поскольку все максимумы имеют одинаковую амплитуду, то, наблюдая только суммарный выходной сигнал интерферометра, и не обладая дополнительной информацией, невозможно однозначно определить, с какого направления приходит сигнал от цели. Это - известная особенность неоднозначности интерферометрических измерений.

Рассмотрим методику построения интерференционной картины в пределах пространственного элемента разрешения для произвольного количества станций, входящих в состав многопозиционного комплекса. Отдельные радиолокационные станции, входящие в состав многопозиционного комплекса, при работе в режиме интерферометра можно рассматривать как позиции элементов в разреженной антенной решетке. Такая решетка формирует диаграмму направленности, состоящую из одного главного лепестка в направлении фокусировки и нескольких побочных лепестков сравнимой амплитуды в других направлениях. Размеры такого лепестка определяются как X /В, где В - характерные размеры решетки. Область пространства, в которой

формируются лепестки с размерами X /В в пределах элемента разрешения многопозиционной системы за счет геометрии позиции, будем называть микролучом.

Рассмотрим математическую модель построения интерференционной картины в пространстве и примеры построения в пределах пространственного элемента разрешения для 3, 5 и 10 позиций при базах 500 м, 1000 м и 1500 м. Будем рассматривать метровый диапазон длин волн, а размеры «пространственного элемента разрешения» по угловым координатам примем равными 5°х5°.

Считая, что при выбранных базах перепад высот между позициями РЛС является незначительным, для упрощения расчетов будем считать, что координата 1рог1 = 0 у всех станций. В [6] было показано, что оптимальной конфигурацией

позиций для многопозиционного комплекса, состоящего из N станций, является окружность, описанная вокруг правильного ^угольника. Соответственно координаты станций по осям х и у тогда можно записать следующим образом:

^ = 0 5 ■В ■ ^Мт), (1)

уроъ = 05 ■В ■ ^{^Мг), (2)

где М - число позиций в составе радиолокационного интерферометра; В - база радиолокационного интерферометра. Если аф и 8ф - азимут и угол места направления фокусировки лучей, то поворачивающий множитель решетки, составленной из радиолокационных станций, для каждой из позиции будет определяться следующим образом:

Ц = еХР{- 7 ■ ^ [хРог, " Маф )■ ^^Ф ))+ Уро• (8Ш(аф )■ С05(еф ))]]) , (3)

где X - рабочая длина волны.

Тогда функция, описывающая вид интерференционной картины по угловым координатам будет иметь следующий вид:

Ц ■ ехр

7 ■ ■ (Хро,г • С08(а) ■ С08(е) + УрОЧ ■ 8т(а) ■ С08(е))^

(4)

Пределы изменения а и 8 в формуле (4) определяются размерами пространственного элемента разрешения по угловым координатам и будут лежать в пределах 8 е [0°; 5°], 8 е [0°; 5°].

На вид интерференционной картины будут влиять:

- количество позиций в радиолокационном интерферометре;

- база радиолокационного интерферометра;

- направление фокусировки по угловым координатам.

Рассмотрим примеры интерференционных структур, построенных по выражениям (1-4). На рис. 3 показан вид интерференционной картины пространственного элемента разрешения для радиолокационного интерферометра, состоящего из 3 станций для величины базы равной 500 м (рис. 3а), 1000 м (рис. 3б) и 1500 м (рис. 3в).

штмт

2 3 5

Ршмвры эпеменгтш рпэрвшЕния по □зипуту. грпй.

шшш

1 2 3 г» 5

Размерь элемвнтп розрЕшвния па озим ушу, гроЗ.

а)

б)

■ш

2 3 г» 5

Размерь зпементп разрешения па азимуту, граЭ.

в)

Рис. 3. Вид интерференционной структуры в пространственном элементе разрешения радиолокационного интерферометра, состоящего из 3-х станций для величины базы

равной а) 500 м, б) 1000 м, в) 1500 м

Как видно из рис. 3, для 3-х станций проблема однозначности измерений по угловым координатам возникает даже при относительно небольших базах.

На рис. 4 показан вид интерференционной картины пространственного элемента разрешения для радиолокационного интерферометра, состоящего из 5 станций для величины базы равной 500 м (рис. 4а), 1000 м (рис. 4б) и 1500 м (рис. 4в).

а)

б)

' '

о у т V уо V у о у о ууо V» »•«..........■ »

ШШ»::;;

МЛ0ЛН. л . . л ллол/.г

ШШШЙЩ

• 1 • <1 II II « il.lt.« 1« «м « .*. ' • •

2 3 5

Размерь зпвмениш разрешения па азимуту. граО.

в)

Рис. 4. Вид интерференционной структуры в пространственном элементе разрешения радиолокационного интерферометра, состоящего из 5 станций для величины базы

равной а) 500 м, б) 1000 м, в) 1500 м

Как видно из рис. 4, для 5 станций интерференционная структура становится более «разреженной», вокруг главных лепестков появляется «боковой фон», а сами

лепестки становятся более удаленными друг от друга. При этом форма главного лепестка и его бокового фона является инвариантной по отношению к базе комплекса. Для 5 станций возможна завязка траекторий по всем главным максимумам, так как их количество не велико.

На рис. 5 показан вид интерференционной картины пространственного элемента разрешения для радиолокационного интерферометра, состоящего из 10 станций для величины базы равной 500 м (рис. 5а), 1000 м (рис. 5б) и 1500 м (рис. 5в).

а)

б)

в)

Рис. 5. Вид интерференционной структуры в пространственном элементе разрешения радиолокационного интерферометра, состоящего из 10 станций для величины базы

равной а) 500 м, б) 1000 м, в) 1500 м

Как видно из рис. 5, для 10 станций даже при базе 1000 м можно считать измерения однозначными, а для базы 1500 м количество боковых лепестков, сопоставимых по уровню с главным лепестком составляет несколько единиц.

Изменение направления фокусировки не сильно изменяет картину интерференционных максимумов, при этом остается справедливым расширение лепестков при отклонении точки фокусировки от нормали к решетке.

Уменьшение длины волны в п раз будет эквивалентно увеличению базы между позициями в п раз, при сохранении исходной длины волны при расчете.

Из приведенных рисунков следует, что потенциально достижимая точность измерения угловых координат в многопозиционном пространственно-когерентном комплексе в режиме обзора и трассового сопровождения будет определяться размерами микролуча, при устранении неоднозначности измерений. Кроме того, в таком комплексе появляется возможность, не измеряя однозначно угловые координаты, точно померить угловые скорости цели, которые также будут определяться размерами микролуча.

Для устранения неоднозначности измерений можно использовать частотное разделение позиций при излучении сигналов, длительное когерентное накопление, а также использовать угловое перемещение цели за время наблюдения. Исследование эффективности подавления боковых лепестков при использовании того или иного метода, а также при их комбинировании является отдельной задачей, поэтому в данной статье ограничимся лишь примером уменьшения области неоднозначности при угловом перемещении цели на примере 3-х позиционного интерферометра с базой 300 м в секторе 5°х5°, показанном на рис. 6.

'гтул'

ИЯИ I

ШтМ(

а) б)

в)

Рис. 6. Вид интерференционной структуры в пространственном элементе разрешения радиолокационного интерферометра, состоящего из 3-х станций с базой 300 м при различном угловом пермещении цели а)0 градусов, б) 15 градусов, в) 30 градусов

Стоит также отметить, что задача устранения неоднозначности измерений существенно упрощается для комплексов, состоящих из 5-10 позиций при базах в пределах 1500 м. Данные цифры можно рассматривать в качестве рекомендуемых при определении облика таких систем.

Таким образом, в ходе проведенных исследований была предложена методика построения интерференционной структуры пространственного элемента разрешения обзорного многопозиционного радиолокационного комплекса. Приведены примеры

построения интерференционных структур при различном количестве станций и разных значениях базы. Описана проблема необходимости устранения неоднозначности измерений угловых координат, намечены пути решения данной проблемы и даны рекомендации по выбору количества станций и величины базы с точки зрения облегчения решения данной задачи. Выработанные в работе рекомендации и расчетные методики могут применяться для расчета характеристик многопозиционных радиолокационных комплексов любой конфигурации и различного назначения.

Литература

1. Возможности и особенности построения нового поколения информационных систем на основе принципов когерентной малобазовой радиолокации / И.Б. Федоров [и др.] // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. 2009. Спец. выпуск. С.28-39.

2. Черняк В.С. Многопозиционная радиолокация. М.: Радио и связь, 1993. 416 с.

3. Jian Li, Petre Stoica MIMO radar signal processing. Wiley 2009 г.

4. Rabideau D. J. and Parker P. Ubiquitous MIMO Multifunction Digital Array Radar // Proc. 37th IEEE Asilomar Conf. on Signals, Systems, and Computers. 2003. Vol. 1. P. 1057-1064.

5. Fishler E., Haimovich A., Blum R. S. MIMO Radar: An Idea Whose Time Has Come. Proc. IEEE Radar Conference. 2003. P. 71-78.

6. Нониашвили М.И., Нефедов С.И., Крючков И.В. Анализ зоны обнаружения многопозиционных обзорных пространственно-когерентных радиолокационных комплексов с остронаправленными антеннами // Труды 16 международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 13-15 апреля 2010.

electronic scientific and technical periodical

SCIENCE and EDUCATION

_EL № KS 77 -3()56'J..VaU421100025. ISSN 1994-jMOg_

Interference pattern analysis of resolution bin in surveillance spatial coherent MIMO radar systems with beamea antennas

77-30569/248808 # 12, November 2011

Noniashvili M.I., Kryuchkov I.V., Nefedov S.I.

Bauman Moscow State Technical University

[email protected] kryuchkov@bmstu. ru [email protected]

The article considers features of the interference pattern of resolution bin in surveillance spatial coherent MIMO radar system with respect to baseline lengths of the interferometer and the number of radar stations in the interferometer. The authors provide a strategy of surveillance coherent MIMO radar system interference pattern of spatial bin construction.

Publications with keywords: resolution bin, interferometer, surveillance spatial coherent mimo radar system

Publications with words: resolution bin, interferometer, surveillance spatial coherent mimo radar system

Reference

1. I B. Fedorov, et al., Vestnik MGTU. Ser. Priborostroenie - Bulletin of BMSTU. Ser. Instrumentation Special issue (2009) 28-39.

2. Cherniak V.S., Multiitem radar-location, Moscow, Radio i sviaz', 1993, 416 p.

3. Jian Li, Petre Stoica MIMO radar signal processing, Wiley, 2009.

4. Rabideau D. J. and Parker P., Ubiquitous MIMO Multifunction Digital Array Radar, in: Proc. 37th IEEE Asilomar Conf. on Signals, Systems, and Computers, 2003, Vol. 1, pp. 1057-1064.

5. Fishler E., Haimovich A., Blum R.S., MIMO Radar: An Idea Whose Time Has Come, in: Proc. IEEE Radar Conference, 2003, pp. 71-78.

6. Noniashvili M.I., Nefedov S.I., Kriuchkov I.V., in: Proceedings of XVI international scientific and technical conference on Radiolocation, Navigation and Communication, Voronezh, April 13-15, 2010.