CC BY
47Радиостроение
Научно-практический журнал ИКр ://www. гас! iovega.su
Ссылка на статью: // Радиостроение. 2017. № 06. С. 1-13
Б01: 10.24108/^е^.0617.0000117
Представлена в редакцию: 20.10.2017
© НП «НЕИКОН»
УДК 621.396.697
Экспериментальные исследования по оценке разрешающей способности радиолокационных датчиков из состава многопозиционного радиолокационного комплекса обзора лётного поля
Кальной М.Д.1, Савельев А.Н.1*,
7
Семенов А.Н.
а!ех БапббгЙтаДли
:ОАО "Бортовые аэронавигационные системы",
Москва, Россия 2МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Представлены методика проведения и результаты экспериментальных исследований по оценке разрешающей способности радиолокационных датчиков (РЛД) из состава многопозиционного радиолокационного комплекса обзора летного поля (МП РЛК ОЛП), проведенных в целях получения исходных данных для анализа его потенциальной разрешающей способности.
Ключевые слова: радиолокационный датчик; многопозиционный радиолокационный комплекс; станция обзора летного поля
Введение
Учитывая современные требования к специализированным радиолокационным станциям (РЛС ОЛП), присущие им недостатки и особенности эксплуатации, одним из приоритетных направлений развития средств независимого некооперативного авиационного наблюдения на аэродроме является создание радиолокационных комплексов (РЛК) на базе пространственно-разнесенных РЛС Х - диапазона, объединенных в единую информационно-временную сеть с совместной обработкой данных [1 - 3].
Для обеспечения требования к минимальным эксплуатационным характеристикам в качестве РЛД применяются РЛС с высокой разрешающей способностью по одной из координат, например по дальности. При этом широко используются когерентные РЛС с широкополосными сигналами [4 - 11].
Многопозиционный принцип построения РЛК ОЛП вносит особенности в методы оценки его показателей качества, в том числе в методы оценки разрешающей способности, которые обусловлены следующими основными факторами:
- разрешающая способность радиолокационных датчиков (РЛД), входящих в состав комплекса;
- местоположением РЛД из состава комплекса по отношению к различным точкам контролируемой рабочей площади аэродрома.
Экспериментальные исследования радиолокационных датчиков
Объектом исследования являлись РЛД типа «MRS-1000» из состава МП РЛК ОЛП, развернутого на аэродроме.
Цель экспериментальных исследований состояла в оценке разрешающей способности РЛД типа «MRS-1000» на площади маневрирования аэродрома для обоснования исходных данных для оценки разрешающей способности МП РЛК ОЛП с использованием программно-расчетного модуля.
Материально-техническое обеспечение экспериментальных исследований:
- РЛД типа «MRS-1000» из состава МП РЛК ОЛП;
- автоматизированное рабочее место (АРМ) инженера со специализированным программным обеспечением (СПО);
- пара уголковых отражателей (УО № 1 и № 2) с треугольными гранями с ЭПР 1 м в направлении на облучающую РЛС;
- дальномер-бинокль «ZENIT LRB 7x40S»;
- измерительная рулетка;
- комплект радиостанций MOTOROLA TLKR T80 (T80EXT).
В соответствии с техническими характеристиками РЛД типа «MRS-1000» ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости составляет
Д0 = Io,
а элемента разрешения по дальности, определяемого видом используемого сигнала,
AD = 0,79 м.
Замысел экспериментальных исследований состоял в фиксации фактической дистанции между УО №1 и №2, размещаемых на линии визирования РЛД, при которой обеспечивается их раздельное обнаружение на выходе системы первичной обработки МП РЛК ОЛП на фоне взлетно-посадочной полосы (ВПП) с искусственным покрытием (асфальт).
Методика исследования определяет последовательность выполнения следующих операций:
- выбор контрольных точек на ВПП с искусственным покрытием;
- размещение УО №1 и №2 в контрольной точке на (перпендикулярно) линии визирования РЛД с заданной дистанцией (интервалом), измеряемой (-ым) рулеткой;
- визуальный контроль размещения и измерение удаления контрольной цели до облучающего РЛД с использованием лазерного дальномера бинокля;
- ориентация УО №1 и №2 на облучающий РЛД, мониторинг отметок целей на выходе системы первичной обработки информации АРМ инженера;
- фиксация факта раздельного обнаружения УО №1 и №2 на выходе системы первичной обработки МП РЛК ОЛП, фактической дистанции между УО №1 и №2 и удаления от РЛД;
- запись входных данных от РЛД, координатных формуляров системы первичной обработки на средства записи и хранения в течение контрольного интервала времени Тк (не менее 100 периодов обновления информации РЛД То) для получения презентабельной выборки;
- воспроизведение и обработка записанных данных для детальной обработки.
Предварительные исследования проводились с использованием СПО АРМ инженера. На рисунках 1 и 2 представлены примеры рабочих окон АРМ инженера на выходе системы первичной обработки радиолокационной информации, иллюстрирующие возможность раздельного обнаружения УО № 1 и № 2, находящихся на линии визирования РЛД № 3.
Обобщенные результаты предварительных исследований по оценке разрешающей способности РЛД №3 и РЛД №2 представлены в таблицах 1 и 2 соответственно. Наблюдение УО осуществлялось на фоне взлетно-посадочной полосы (ВПП) с асфальтовым покрытием.
Рисунок 1 - Обнаружение УО №1 на удалении 608 м от РЛД № 3 (дистанция между УО №1 и УО №2
составляет ДД = 5 м)
Рисунок 2 - Обнаружение УО №2 на удалении 612 м от РЛД № 3 (дистанция между УО №1 и УО №2
составляет ДД = 5 м)
Результаты предварительных исследований сводятся к следующим выводам:
- разрешающая способность РЛД по дальности на удалении 450 ... 750 м составляет 3 ... 5 м;
- разрешающая способность по дальности снижается при увеличении удаления по отношению к облучающему РЛД (снижение отношения сигнал/шум при обнаружении УО).
Таблица 1 - Результаты обработки и анализа сигналов от РЛД №3
№ № УО Удаление от РЛД, м Дистанция между ЭУО, м Заключение о возможности разрешения
1 1, 2 450 15 «да»
2 1, 2 450 10 «да»
3 1, 2 450 7,5 «да»
4 1, 2 450 5 «да»
5 1, 2 450 3 «да»
6 1, 2 450 2 «нет»
7 1, 2 600 10 «да»
8 1, 2 600 7,5 «да»
9 1, 2 600 5 «да»
10 1, 2 600 3 «да»
10 1, 2 600 2 «нет»
11 1, 2 750 10 «да»
12 1, 2 750 7,5 «да»
13 1, 2 750 5 «да»
10 1, 2 750 3 «нет»
№ № УО Удаление от РЛД, м Дистанция между ЭУО, м Заключение о возможности разрешения
1 1, 2 500 10 «да»
2 1, 2 500 7,5 «да»
3 1, 2 500 5 «да»
3 1,2 500 3 «да»
Детальный анализ разрешающей способности РЛД по дальности и азимуту осуществлялся с использованием сечений записанных цифровых реализаций сигналов на фиксированных азимутах и дальностях соответственно.
Оценка амплитуды и дальности проводилась методом наименьших квадратов [12, 13] по нескольким последовательным стробам дальности при фиксированном азимуте, обеспечивающим минимум квадратичной формы
* *
О = О,и = и-.тт-Б,и
^ [Я] - /о(О] - О, и)]
2
для одиночного УО,
* * * *
О* = Оь и* = и!, О2 = О2, и 2 = и2:
тт ^
01,и 1,
02,и2
^[Я] -/о(О] -О1,и1)-/п(О] -О2,и2)]2
(1)
(2)
для пары УО, где Ш - область поиска; и, О - амплитуда сигнала, дальность; /о (•) -известная аппроксимирующая функция своих аргументов.
В качестве аппроксимирующей функции использовался гауссовский фильтр с полосой пропускания О/
/о(О,и) = и^
О2
2О
/
(3)
На рисунках 3 и 4 представлены цифровые отсчеты сигналов, отраженных от одиночного УО, в последовательных стробах дальности с применением обработки в соответствии с (1) и (3).
>
:
>
2
Рисунок 3 - Аппроксимация цифровых отсчетов сигналов в последовательных стробах дальности, оценка
дальности В* = 292,42 м и амплитуды и* = 175000
Рисунок 4 - Аппроксимация цифровых отсчетов сигналов в последовательных стробах дальности, оценка
* *
дальности В = 464,07 м и амплитуды и = 4300
Анализ ширины максимума аппроксимирующей функции по уровню 0,5 позволяет сделать выводы о разрешающей способности РЛД по дальности, которая составляет 1,5 -2 м.
На рисунках 5 и 6 представлены цифровые отсчеты сигналов, отраженных от пары УО в последовательных стробах дальности с применением обработки в соответствии с (1)
- (3).
Рисунок 5 - Аппроксимация цифровых отсчетов сигналов в последовательных стробах дальности, оценки
* * * *
дальности и амплитуды В* = 610,6 м, и* = 2100, В* = 613,65 м, и2 = 6000
Рисунок 6 - Аппроксимация цифровых отсчетов сигналов в последовательных стробах дальности, оценки
* * * т
дальности и амплитуды О] = 550,3 м, и* = 18000, О* = 552,2 м, и2 =48000
Анализ разницы оценок дальности по максимумам аппроксимирующих функций при наличии «седловины» в результирующей огибающей позволяет сделать выводы о разрешающей способности РЛД по дальности, которая составляет не менее 2 м.
Оценка азимута и амплитуды проводилась по нескольким последовательным отсчетам азимута в фиксированном стробе дальности, обеспечивая минимум квадратичной формы для одного УО
* *
в =6, и = и : тт\
в,и
^- fв(в] -в,и)]2
(5)
или для двух УО
в* =62,и* = и166*2 =62,и2 = и2 :
тт
61,и1,
62,и2
^ [5] - 1в(6]-в1,и1) - ¡в(в] -в2,и2)]2
где Ш - область поиска; и, в - амплитуда сигнала, азимут; /в (■) - известная функция
(6)
своих аргументов.
В качестве аппроксимирующей функции применялся гауссовский фильтр с полосой
пропускания в
I
/в (в, и) = и ехр
в2
2в
I
(7)
На рисунках 7 и 8 представлены цифровые отсчеты сигналов на последовательности азимутов, отраженных от пары точечных УО с применением обработки в соответствии с (5) - (7) для получения оценок азимута и амплитуды.
:
2
Рисунок 7 - Аппроксимация цифровых отсчетов сигналов на последовательности азимутов, оценки азимута и амплитуды в* = 195,64 град, и* = 3300, в* = 198,4 град, и* =670
Рисунок 8 - Аппроксимация цифровых отсчетов сигналов на последовательности азимутов, оценки азимута и амплитуды в* = 96,7 град, и* = 75000, в2 = 97,6 град, и* = 196000
Из анализа рисунков (7) и (8) следует, что разрешающая способность РЛД по азимуту составляет 1 - 1,5 град.
Таким образом, разрешающая способность РЛД обеспечивает:
селекцию целей и оценку их дальностей при разносе по дальности порядка 1,5 - 2 м;
селекцию целей и оценку их азимутов при разносе по угловым координатам 1 - 1,50.
Полученные экспериментальные данные могут быть использованы в качестве исходных для оценки качества радиолокационного покрытия рабочей площади аэродрома с использованием программно-расчетного модуля оценки основных показателей качества МП РЛК ОЛП.
Список литературы
1. Васильев О.В., Захаров М.С., Кальной М.Д., Козлов В.Н., Савельев А.Н. Многопозиционный радиолокационный комплекс обзора лётного поля // XXVI Всероссийская науч.-техн. конф. школы-семинара «Передача, прием, обработка и отображение информации о быстропротекающих процессах» (Сочи, 5-10 октября 2015 г.): Сб. тр. М.: Издат. Дом акад. им. Н.Е. Жуковского, 2015. С. 104 - 109.
2. Васильев О.В., Зябкин С.А., Иванов А.С., Кальной М.Д., Пешко А.С., Савельев А.Н., Семенов А.Н. Обоснование приоритетных направлений создания перспективных радиолокационных комплексов обзора летного поля // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2017. Т. 15. № 10. С. 53 - 63.
3. Васильев О.В., Зябкин С.А., Кальной М.Д., Савельев А.Н., Семенов А.Н., Сурков А.С. Многопозиционный радиолокационный комплекс обзора летного поля на базе РЛС кругового обзора MRS-1000 Х-диапазона // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2017. Т.15. № 11. С. 3 - 14.
4. Мележик П.Н., Разсказовский В.Б., Резниченко Н.Г., Зуйков В.А., Андренко С.Д., Сидоренко Ю.Б., Провалов С.А., Варавин А.В., Усов Л.С., Чмиль В.М., Муськин Ю.Н. Полупроводниковый когерентный радиолокатор для контроля наземного движения в аэропортах // Наука и инновации. 2008. Т.4. № 3. С. 5 - 13. DOI: 10.15407/scin4.03.005
5. Скосырев В.Н., Слукин Г.П., Усачев В.А., Ананенков А.Е., Коновальцев А.В., Нуждин В.М., Соколов П.В. Многофункциональный аэродромный радиолокатор по технологии сверхкороткоимпульсной радиолокации // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2007. № 4. С. 120 - 122.
6. Ananenkov A.E., Konoval'tsev A.V., Nuzhdin V.M., Rastorguev V.V., Skosyrev V.N. Multi-functional aerodrome control radar by USPR technology // 29th Congress of the Intern. Council of the Aeronautical Sciences: ICAS 2014 (St. Petersburg, Russia, 7-12 September, 2014): Proc. Vol. 5. Red Hook: Curran Associates Inc., 2014. Pp. 3867-3873.
7. Федоров И.Б., Слукин Г.П., Нефедов С.И., Скосырев В.Н., Ананенков А.Е., Нуждин В.М. Многофункциональная РЛС малой дальности для удалённой диспетчеризации региональных аэропортов // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана: Электрон. журн. 2014. № 12. С. 633-644. DOI: 10.7463/1214.0751276
8. Dotsenko V.V., Nosov D.M., Osipov M.V., Rotkin M.E., Surkov A.S., Khlusov V.A. Close range coverage ship radar with distance high resolution // 20th intern. Crimean conf. «Microwave & Telecommunication Technology»: CriMiCo 2010 (Sevastopol, Ukraine, September 13-17, 2010): Proc. Vol. 2. N.Y.: IEEE, 2010. Pp. 1253-1254.
9. Доценко В.В., Осипов М.В., Хлусов В.А. Повышение энергетического потенциала РЛС с непрерывным ЛЧМ-сигналом // Доклады Томского гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР). 2011. № 1(23). С. 29 - 33.
10. Разин А.А., Титов А.Н. О возможности получения высокого разрешения РЛС по дальности при узкополосном приемном тракте // XX междунар. науч.-техн. конф. «Радиолокация, навигация и связь»: RLNC-2014 (Воронеж, 15-17 апреля 2014): Сб. трудов. Т. 3. Воронеж, 2014. С. 1441-1447.
11. Кошуринов Е.И., Смородин Ю.В. О возможности создания радиолокатора с АФАР и непрерывным зондирующим сигналом // XVIII науч.-техн. конф. ОАО НИИприборо-строения им. В.В. Тихомирова (г. Жуковский, 2005): Сб. докл. С. 150-164.
12. Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям: пер. с англ. / Под ред. М.М. Вейсбейна. М.: Советское радио, 1976. 392 с. [Barton D.K., Ward H.R. Handbook of radar measurement. Englewood Cliffs: Prentice-Hall, 1969. 426 p.].
13. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: учебник. 7-е изд. М.: Высшая школа, 2001. 575 с.
Radio Engineering
Radio Engineering, 2017, no. 06, pp. 1-13. DOI: 10.24108/rdeng.0617.0000117 Received: 20.10.2017
© NP "NEICON"
Analysing the Experimental Data on Radar Sensor Resolution of Multi-Position Surface Movement Radar Systems
M.D. Kalnoy1, A.N. Saveliev1,*,
A.N. Semenov
alex &an66iSmailju
JSC "Airborne navigation systems", Moscow, Russia 2Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: radar sensor; multi-position radar system; surface movement radar
Space resolution is one of the most important characteristics of radar systems. In multiposition surface movement radar (SMR) systems, resolution depends on the properties of radar sensors, their location and co-processing methods of radar data.
The subject of experimental studies was a range and angular resolution of the X-band surface surveillance radar sensor "MRS-1000" as a part of the multi-position SMR system. The radar sensors were located on the airfield. The size of the range strobe to be analysed was 0.79 m, and the azimuth width was 10. As to the radiation pattern width, the MRS-1000 does not satisfy the specialised SMR system requirements for 0.40 at most.
The analysis objective was to estimate the range and angular resolution of radar sensors across maneuvering area of the artificially covered airfield surface and, using these data, give justification for further analysis of the multi-position SMR system characteristics.
The paper describes a general technique to estimate the range and angular resolution of the
radar sensor using a radar sensor and a pair of reference corner reflectors (RCR) with radar
• 2
cross-section (RCS) of 1 m and record the radar sensor output signals and provide their postprocessing.
The resolution was estimated by approximating the samples of the recorded signals with a Gaussian function using the least squares method.
The results of range and angular resolution estimates are presented as follows: 1.5 ... 2 m in range, 1 ... 1.50 in azimuth.
The relevance of the outcomes achieved is motivated by the need to conduct further analysis of the multi-position SMR system comprising relatively simple and low-cost radar sensors with characteristics, which are beneath the requirements for specialised SMR radars.
References
1. Vasil'ev O.V., Zakharov M.S., Kal'noj M.D., Kozlov V.N., Savel'ev A.N. Mnogopozitsionnyj radiolokatsionnyj kompleks obzora letnogo polia [Multi-position radar review airfield]. XXVI Vserossijskaia nauchno-tekhnicheskaia konferentsiia shkoly-seminara "Peredacha, priem, obrabotka i otobrazhenie informatsii o bystroprotekayushchikh protsessakh" [XXVI All-Russian scientific-technical conf. of the school-seminar "Transmission, reception, processing and display of information on fast processes" (Sochi, Russia, October 5-10, 2015)]: Proc. Moscow, 2015. Pp. 104-109 (in Russian).
2. Vasil'ev O.V., Zyabkin S.A., Ivanov A.S., Kal'noj M.D., Peshko A.S., Savel'ev A.N., Se-menov A.N. Multiradar concept for perspective surface movement radars. Informatsionno-izmeritel'nye i upravliayushchie sistemy [Information-measurement and Control Systems], 2017, vol. 15, no. 10, pp. 53-63 (in Russian).
3. Vasil'ev O.V., Zyabkin S.A., Kal'noj M.D., Savel'ev A.N., Semenov A.N., Surkov A.S. Multiradar surface movement radar based on surveillance X-band radar MRS-1000. Informatsionno-izmeritel'nye i upravliayushchie sistemy [Information-measurement and Control Systems], 2017, vol. 15, no. 11, pp. 3-14 (in Russian).
4. Melezhik P.N., Razskazovskij V.B., Reznichenko N.G., Zujkov V.A., Andrenko S.D., Sidorenko Yu.B., Provalov S.A., Varavin A.V., Usov L.S., Chmil' V.M., Mus'kin Yu.N. Semiconductor coherent Ka-band radar for airport surface traffic monitoring. Nauka i innovatsii [Science & Innovations], 2008, vol. 4, no. 3, pp. 5-13.
DOI: 10.15407/scin4.03.005 (in Russian)
5. Skosyrev V.N., Slukin G.P., Usachev V.A., Ananenkov A.E., Konoval'tsev A.V., Nuzhdin V.M., Sokolov P.V. Multi-purpose aerodrome radar by technology of super-short-pulse radiolocation. VestnikMGTU im. N.E. Baumana. Ser.: Priborostroenie [Herald of the Bauman MSTU. Instrument Engineering], 2007, no. 4, pp. 120-122 (in Russian).
6. Ananenkov A.E., Konoval'tsev A.V., Nuzhdin V.M., Rastorguev V.V., Skosyrev V.N. Multi-functional aerodrome control radar by USPR technology. 29th congress of the Intern. Council of the Aeronautical Sciences: ICAS 2014 (St. Petersburg, Russia, 7-12 September, 2014): Proc. Vol. 5. Red Hook: Curran Associates Inc., 2014. Pp. 3867-3873.
7. Fedorov I.B., Slukin G.P., Nefedov S.I., Skosyrev V.N., Ananenkov A.E., Nuzhdin V.M. Multifunctional short-range radar system for distant regional airport traffic control. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2014, no. 12, pp. 633-644. DOI: 10.7463/1214.0751276 (in Russian)
8. Dotsenko V.V., Nosov D.M., Osipov M.V., Rotkin M.E., Surkov A.S., Khlusov V.A. Close range coverage ship radar with distance high resolution. 20th intern. Crimean conf. «Microwave & Telecommunication Technology»: CriMiCo 2010 (Sevastopol, Ukraine, September 13-17, 2010): Proc. Vol. 2. N.Y.: IEEE, 2010. Pp. 1253-1254.
9. Dotsenko V.V., Osipov M.V., Khlusov V.A. Rising of energetic potential of radar with continuous LFM-signal. Doklady Tomskogo gosudarstvennogo universiteta sistem upravleniia i radioelektroniki (TUSUR) [Proc. of Tomsk State Univ. of Control Systems and Radioelectronics (TUSUR)], 2011, no. 1(23), pp. 29-33 (in Russian).
10. Razin A.A., Titov A.N. O vozmozhnosti polucheniia vysokogo razresheniia RLS po dal'nosti pri uzkopolosnom priemnom trakte [To the possibility of obtaining high range resolution in radar using narrowband receiver path]. XX Mezhdunamodnaia nauchno-tekhnicheskia konferentsiia "Radiolokatsiia, navigatsiia i sviaz" [XX intern. Scientific technical conf. "Radar, navigation and communication": RLNC-2014 (Voronezh, Russia, April 15-17, 2014)]: Proc. Vol. 3. Voronezh, 2014. Pp. 1441-1447 (in Russian).
11. Koshurinov E.I., Smorodin Yu.V. O vozmozhnosti sozdaniia radiolokatora s AFAR i nepreryvnym zondiruyushchim signalom [About possibility of creation of radar AFAR and continuous probing signal]. XVIII Nauchno-tekhnicheskaia konferentsiia NIIpriborostroeniia im. V.V. Tikhomirova (Zhukovskij, 2005) [XVIII scientific technical conf. of the V.Tikhomirov Scientific Research Institute of Instrument Design]: Proc. Zhukovskij, 2005. Pp. 150-164 (in Russian).
12. Barton D.K., Ward H.R. Handbook of radar measurement. Englewood Cliffs: Prentice-Hall, 1969. 426 p. (Russ. ed.: Barton D.K., Ward H.R. Spravochnik po radiolokatsionnym izmereniiam. Moscow: Sovetskoe radio Publ., 1976. 392 p.).
13. Ventzel E.S. Teoriia veroiatnostej [Probability theory]: a textbook. 7th ed. Moscow: Vysshaia shkola Publ., 2001. 575 p. (in Russian).
