CC BY
17УДК 621.396
Дополнительные сигналы в вертолетной РЛС обзора земной поверхности
Кривченков Д.Н.
Аннотация: Рассмотрена возможность применения дополнительных сигналов в вертолетной РЛС для обеспечения безопасности полета. Рассмотрены особенности спектральной обработки дополнительных сигналов в режиме обзора земной поверхности при наличии подвижных объектов. Определены границы применимости дополнительных сигналов в миллиметровой и сантиметровой РЛС.
Ключевые слова: дополнительные сигналы, доплеровский эффект, боковые лепестки, временное разделение, спектральная обработка, радиолокационное изображение.
Complementary signals in the helicopter ground surface scanning radar
Krivchenkov D.N.
Abstract: The method of complementary signals processing is considered. This method may be used in helicopter radar which helps to do fighting process safety. The features of spectral processing of complementary signals in ground surface scanning mode with the presence of moving objects are considered. The field of complementary signals using in the millimeter and centimeter helicopter radar is found. Key words: complementary signals, Doppler Effect, side lobes of compressed signals, separation in time, spectrum processing and radar image.
Вертолёт, осуществляя полёт на низких высотах в условия плохой видимости (в тёмное время суток и сложных метеоусловиях), рискует столкнуться с наземными препятствиями: линиями электропередач, многоэтажными домами и другими высотными объектами. Для повышения безопасности полёта на борту вертолета могут быть размещены различные радиотехнические системы.
Независящим от условий видимости средством обзора окружающего пространства может служить радиолокационная станция (РЛС). При этом одной из важных особенностей вертолётной РЛС обеспечения безопасности полёта должна быть высокая чёткость радиолокационного изображения (РЛИ) земной поверхности при сравнительно небольшой дальности работы РЛС до 2 - 20 км.
Часто в бортовых РЛС используются сложные сигналы с фазовой кодовой манипуляцией (ФКМ). Одна из основных причин этого - ФКМ сигналы хорошо сопрягаются с цифровой техникой. В РЛС данного типа отражённый от цели сигнал при приёме переносится на видеочастоту и подвергается сжатию с помощью оптимального фильтра. От-
клик оптимального фильтра содержит в своём составе основной пик - полезный сигнал и боковые лепестки [1]. Боковые лепестки сжатого сигнала проявляют себя на РЛИ, как радиальные засветки в элементах дальности, находящихся в непосредственной близости с отметкой вызванной основным пиком. Данные засветки маскируют отражения от других объектов, тем самым ухудшая разрешение по дальности. Протяжённость засветок напрямую зависит от длительности используемого зондирующего сигнала. Для улучшения разрешающей способности РЛС по дальности уровень боковых лепестков (УБЛ) сжатого сигнала должен быть минимален, желательно равен нулю.
На боковые лепестки можно повлиять, выбирая кодирующую последовательность, используемую для модуляции ФКМ сигнала. К сожалению, для одиночного сложного сигнала невозможно получить УБЛ равный нулю. Альтернативный путь - это использование пары сигналов одинаковой длины, имеющих все боковые лепестки равные по модулю и противоположные по знаку. При суммировании двух результатов сжатия таких
сигналов боковые лепестки взаимно подавляются, а основные пики удваиваются. Такие сигналы и их кодирующие последовательности называют дополнительными [2, 3].
Цель данной статьи: проанализировать возможность использования дополнительных сигналов в вертолётной РЛС обзора земной поверхности для обеспечения безопасности полёта.
Использовать дополнительные сигналы можно с разделением во времени или по частоте. Первый вариант является менее требовательным к аппаратной части РЛС, так как для приёма и передачи используется один приёмо-передающий тракт, что делает временное разделение привлекательным для практического использования.
Некоторые варианты использования дополнительных сигналов с разделением во времени рассмотрены в [4 - 6]. Все они характеризуются высокой степенью подавления боковых лепестков сжатых дополнительных сигналов. Однако общий недостаток данных методов обработки заключается в зависимости УБЛ результата обработки от доплеровского эффекта.
Данные методы позволяют формировать «чистое» радиолокационное изображение, без засветок, вызванных наличием боковых лепестков сжатого сигнала, при обзоре земной поверхности, в отсутствии подвижных объектов. При появлении отметки цели, обладающей радиальной составляющей скорости в зоне обзора, на РЛИ в соседних с ней элементах дальности будут появляться засветки, вызванные влиянием боковых лепестков, амплитуда которых зависит от скорости цели. Так влияние доплеровского эффекта приводит к засветке РЛИ в элементах дальности, соседних с отметкой от подвижной цели.
Для устранения данного недостатка предлагается использовать дополнительные сигналы, чередующиеся от периода к периоду
излучения, и обработку, основанную на спектральном представлении отсчётов сжатых дополнительных сигналов. Для пояснения данного метода рассмотрим последовательность дополнительных сигналов, чередующихся через период зондирования и отражающихся от неподвижной точечной цели. При этом в каждом периоде излучения после согласованной обработки будут получены отсчёты сжатых сигналов. Так как пара дополнительных сигналов чередуется через период излучения Тшл, то в каждом периоде излучения отсчёты, относящиеся к основному пику и к боковым лепесткам, будут находиться в фиксированных элементах дальности. При этом отсчёты, относящиеся к основному пику, будут равны, а отсчёты каждого бокового лепестка равны по амплитуде, но различны по знаку, который изменяется от периода к периоду. Отсюда следует, что отсчёты последовательности сжатых дополнительных сигналов, чередующихся через период зондирования и относящиеся к основным пикам, в спектральной области будут соответствовать гармонике на нулевой частоте (постоянная составляющая дискретного доплеровского спектра). Отсчёты, относящиеся к боковым лепесткам будут повторяться через 2-Тшл и в спектральной области соответствовать гармонике на частоте 1/(2-Тшл), то есть гармонике, находящейся в центре дискретного доплеровского спектра.
Если точечная цель обладает радиальной составляющей скорости, то наличие доплеров-ского смещения / будет приводить к одновременному смещению гармоник, относящихся к основному пику и боковым лепесткам.
При
1
fd <
4T,
(1)
спектральные составляющие основного пика и боковых лепестков разнесены по частотам и находятся в непересекающихся частотных диапазонах. Основной пик в области
-1/(4-Тшл) < / < 1/(4-Тшл), а боковые лепестки в области
1/(4'Тшл) < /< 3/(4-Тшл).
Используя данную особенность спектрального представления основного пика и боковых лепестков сжатых дополнительных сигналов можно обеспечить устранение из РЛИ составляющих боковых лепестков и получить чистое изображение земной поверхности, даже при наличии подвижных объектов. Для этого необходимо устранить из анализа спектральную область
1/(4'ТИзЛ) < /< 3/(4ТИзЛ).
Соотношение (1) приводит к взаимной зависимости допустимой максимальной скорости цели Утах и максимальной дальности работы РЛС ^тах, при которых возможно устранение влияния боковых лепестков на качество радиолокационного изображения.
где V - ско-
2У Т с
Зная, что = — , Д^ =
рость цели, X - длина волны РЛС, с - скорость света, найдём Утах используя (1)
Х-с
< -
16D„
(2)
Поскольку Утах есть абсолютное значение максимальной скорости, то в выражении (2) обозначение модуля не учитывается.
Используя выражение (2) и задавая значения длин волн миллиметровой и сантиметровой РЛС (X = 8 мм и X = 3 см) построим графики зависимостей Утах от Бтах на (рис. 1).
200-
150 ■
100-
50-
0-
\
О 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 Ртах, км
Рис. 1. Зависимость Утах от _Отах, сплошная линия - X = 8 мм, пунктир - X = 3 см
Выражение (2) позволяет опередить область применения спектральной обработки дополнительных сигналов в РЛС для обеспечения «чистого» РЛИ, без засветок, вызванных боковыми лепестками сжатого сигнала при наличии подвижных объектов. Так в миллиметровой и сантиметровой РЛС при обзоре земной поверхности, приняв, что максимальная радиальная составляющая скорости целей 100 км/ч, можно определить область применения спектральной обработки дополнительных сигналов максимальной дальностью до 5 км и 20 км, соответственно.
Рассчитанные максимальные дальности 5 и 20 км достаточны для использования в вертолётной РЛС обеспечения безопасности полета и предотвращения столкновения с наземными препятствиями.
Использование дополнительных сигналов для обеспечения безопасности полёта было реализовано в опытном образце вертолётной РЛС. Примеры РЛИ, полученные с использованием ФКМ сигнала кодированного М-последовательностью и парой дополнительных сигналов, приведены на рис. 2. На рисунках видно качественное отличие между использованием одиночного сложного сигнала и пары дополнительных, с близкими значениями базы.
Таким образом, использование дополнительных сигналов позволяет получать радиолокационное изображение земной поверхности без засветок, вызванных влиянием боковых лепестков сжатого сигнала. Предложенная обработка дополнительных сигналов, основанная на их спектральном представлении, позволяет устранить влияние доплеров-ского эффекта на боковые лепестки результата обработки в ограниченном доплеров-ском диапазоне, что позволяет получать чистое РЛИ даже при наличии подвижных объектов в зоне обзора. Учитывая ограничения на допустимую скорость целей и максимальную дальность действия, предложенный метод обработки дополнительных сигналов может быть использован в вертолётной РЛС
обзора земной поверхности и обеспечения
Литература
1. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколъника, Нью-Йорк, 1970: Пер. с англ. (в четырех томах) / Под общей ред. К.Н. Трофимова; Том 3. Радиолокационные устройства и системы / Под
ред. А. С. Винницкого. - М.: Сов. Радио, 1978. 528 с.
2. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподоб-ными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 384 с.
3. Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов М.: Сов. Радио, 1970. 367 с.
4. Кривченков Д.Н. Использование зондирующих сигналов с фазовой кодовой манипуляцией в соответствии с дополнительными последовательностями // Межвузовский сборник научных трудов: Методы и устройства обработки сигналов в радиотехнических системах. Выпуск 6, 2012, С.52-59.
5. Кривченков Д.Н. Компенсация боковых лепестков автокорреляционной функции дополнительных сигналов в ограниченном доплеровском диапазоне // Труды РНТОРЭС им. Попова, Серия: Цифровая обработка сигналов и ее применение. Выпуск XVI, Том-1, 2012. С.207-210.
6. Кривченков Д.Н. Построение фильтра подавления боковых лепестков дополнительных сигналов // Будущее машиностроения России: сб. тр. Всерос. конф. молодых ученых и специалистов. Москва, 26-29 сентября 2012 г. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. С. 248-249.
References
1. M. Skolnik Spravochnik po radiolokacii [Radar handbook]. Moskva, 3, 1978, 528 p.
2. Varakin L.E. Sistemy svyazi s shumopodob-nymi signalami [Communication systems with noise signals], Moskva, 1985, 384 p.
3. Varakin L.E. Teoriya slozhnyh signalov [Theory of complex signals], Moskva, 1970, 367 p.
4. Krivchenkov D.N. Mezhvuzovskiy sbornik nauchnyh trudov: Metody i ustrojstva obrabotki signalov v radiotehnicheskih sistemah, Vol. 6, Ryazan, 2012, pp. 52-59.
5. Krivchenkov D.N. Cifrovaya obrabotka signalov i ee primenenie, Vol XVI, 1, Moskva, 2012, pp. 207-210.
6. Krivchenkov D.N. Budushchee mashi-nostroeniya Rossii, Moskva, 2012, pp. 248-249.
безопасности полёта.
б)
Рис. 2. Радиолокационное изображение, полученное с использованием: а) одиночного сигнала, кодированного М-последовательностью длины 71; б) пары дополнительных сигналов длины 64
Поступила 12 июня 2012 г.
Информация об авторе
Кривченков Дмитрий Николаевич - инженер-конструктор I категории ОАО «Государственный Рязанский приборный завод», аспирант ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет».
Адрес: 390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1.
E-mail: trave@mail.ru.
Krivchenkov Dmitry Nickolaevich - engineer of JSCo "Ryazan state instrument-making enterprise", postgraduate student of "Ryazan state radio engineering university".
Address: 390005, Ryazan, Gagarina st., 59/1.
