CC BY
25
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ЗОНДИРУЮЩИХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ЗАДАЧИ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ И НИЗКОСКОРОСТНЫХ ЦЕЛЕЙ
Д.А. Везарко, магистрант
Московский технический университет связи и информатики (Россия, г. Москва)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-4-1-170-175
Аннотация. В работе рассматривается проблема обнаружения малоразмерных и низкоскоростных целей (современные FPV-дроны) средствами активной радиолокации. Приводится анализ наиболее актуальных типов зондирующего сигнала, исследование их эффективности и ограничений в контексте задачи обнаружения таких целей.
Ключевые слова: малоразмерный беспилотный летательный аппарат, активная радиолокация, обнаружение целей, зондирующий сигнал.
Обнаружение малоразмерных и низкоскоростных целей, таких как современные БРУ-дроны, представляет собой серьезную задачу в области радиолокационной техники. Традиционные радиолокационные системы (РЛС), в основном предназначенные для обнаружения более крупных и быстрых объектов, зачастую испытывают трудности при работе с небольшими целями, особенно в условиях сложной помехо-вой обстановки.
Эффективность РЛС обнаружения малоразмерных беспилотных летательных аппаратов (МБЛА) во многом определяется разрешающей способностью системы как по пространственным координатам, так и по скорости. В свою очередь, разрешающая способность по дальности и скорости обуславливается параметрами зондирующего сигнала (ЗС).
Поэтому необходимо провести исследование оптимальных, в плане разрешающей способности, сигналов, которые способны обеспечить для системы высокое качество обнаружения таких целей. Технология СКИРЛ В настоящее время достаточно хорошо проработана технология сверхкороткоим-пульсной радиолокации (СКИРЛ). Значительный вклад в исследования возможностей данной технологии внесли авторы работ [1-4].
Уменьшение длительности импульса ЗС - очевидный способ уменьшения паразитных отражений от подстилающей поверхности и увеличения контрастности РЛС, поэтому в технологии СКИРЛ в качестве ЗС используются радиоимпульсы малой длительности (порядка 10 нс и менее) с низкой частотой повторения. В ходе проведенного анализа были выделены основные достоинства применения данной технологии.
Во-первых известно, что для прямоугольного импульса сечение тела функции неопределенности (ФН) вдоль оси времени (по дальности) не имеет боковых лепестков. Сечение тела ФН вертикальной плоскостью при [а = 0 имеет вид треугольника [5]. На рисунке 1 представлен вид тела ФН рассматриваемого сигнала, а также его сечение при = 0.
Как можно видеть из рисунке 1 (б), ширина сечения по уровню 0.5 составляет 10 нс, что эквивалентно разрешению по дальности 1.5 м. Теоретически, из-за отсутствия боковых лепестков, можно раздельно наблюдать близкорасположенные объекты при бесконечно большой разнице в значениях эффективной площади рассеяния (ЭПР) объектов. На практике удаётся наблюдать МБЛА в непосредственной близости мощного отражения от местного предмета при перепаде ЭПР на 30 и более дБ [4].
408 15
С»)
Рис. 1. Вид тела ФН прямоугольного импульса длительностью 10 нс (а), вид сечения тела
ФН при /а = 0 (б)
Во-вторых, данный тип сигнала практически исключает наличие «мёртвой зоны». Так как РЛС, использующая одну антенну на приём и передачу, может зафиксировать эхо-сигнал, отражённый от объекта только после окончания излучения, тогда сигнал длительностью 1 мкс «мёртвую зону» Протяжённостью 150 м, а при длительности сигнала 10 нс «мёртвая зона» значительно сокращается и составляет всего 1.5 м. Рассмотренный аспект может позволить обнаруживать МБЛА на очень малых дальностях.
В-третьих, такая высокая разрешающая способность по дальности, за счёт применения СКИРЛ, позволяет применять процедуру селекции целей (СДЦ) по положению, без использования информации о спектральных характеристиках отраженного сигнала. Во исследованиях приводится аргумент о более высоком качестве выделения низкоскоростных и малоразмерных целей на фоне подстилающей поверхности в сравнении с применением классических методов СДЦ
В-четвёртых, благодаря технологии СКИРЛ, можно выделить сигналы от различных отражающих точек цели. На вход приёмника от одной цели поступает ряд последовательных импульсов, расположенных случайно по дальности, размер которых определяется размерами самой цели. Таким образом, принятый сигнал предоставляет информацию не только о
цели в общем, но и о отдельных ее элементах. Кроме того, небольшой импульсный объем позволяет избежать интерференционных провалов в диаграмме направленности антенны (ДНА) при обнаружении целей под малыми углами места, благодаря временной селекции сигналов от цели и отражений от земли.
Однако, рассматриваемый тип сигнала имеет свой главный существенный недостаток - низкую энергетику, обусловленную чрезвычайно малой длительностью ЗС и низкой частотой повторения импульсов. Данный фактор сильно ограничивает возможность обнаружения малоразмерных целей на дальностях, превышающих 1 -2 км. Для компенсации такого недостатка, необходимо использовать передатчики, способные излучать достаточно большие мощности в течение наносекундных интервалов, а также применять антенны с высоким коэффициентом усиления, что не всегда возможно с точки зрения массога-баритных параметров РЛС и экономических соображений.
Квазинепрерывный режим излучения сигналов
Антиподом для вышеописанного типа сигнала, который также применяется в активных РЛС для задачи обнаружения низкоскоростных и малоразмерных целей на фоне подстилающей поверхности, является квазинепрерывный сигнал (КНС) [6-7]. Данный тип сигнала обладает высоким
разрешением по скорости, что делает его идеальным вариантом для использования в системе СДЦ, принцип работы которой основан на частотно-корреляционных различиях характеристик цели и пассивной помехи.
При использовании КНС передатчик непрерывно излучает в пространство коге-
рентную последовательность импульсов. Излучение прекращается только в интервалы времени, за которое происходит изменение направления ДНА в пространстве. В работе приводится базовый тип КНС сигнала, его временная структура представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Временная структура КНС
Время, в течение которого луч ДНА находится в определённом угловом положении, называется временем стояния луча Тл [8]. За это время цель непрерывно облучается последовательностью импульсов, каждый из которых имеет длительность ти с частотой следования ^ = . Время
Тп
Тоб, за которое приёмник принимает и обрабатывает сигнал, всегда меньше времени Тл. В течение времени Тб сигнал излучается в пространство, но не принимается, такой временной интервал получил название интервала бланкирования.
Т
На практике скважность ( = п/Ти КНС обычно не превышает значения 20 [9]. С помощью современных твердотельных приборов без труда можно достичь скважности ( = 5. Важными параметрами для системы являются время стояния луча Тл, оно определяет энергетику сигнала, а также разрешение целей по радиальной скорости (как правило, Тл находится в пределах от 1 до 10 мс). Частота следования когерентных импульсов КНС ^ часто составляет несколько сотен кГц.
Длительность Тп интервала бланкирования задается исходя из факта установления достаточного уровня отражений от ПП до начала прима сигнала и обработки.
Длительность каждого отдельного импульса в последовательности определяют из заданного значения скважности и вре-
менем стояния луча. Число принимаемых и обрабатываемых импульсов обычно достигает нескольких сотен, а зондирующих может быть значительно больше.
Обычно, ширина главного лепестка функции селекции по частоте составляет порядка единиц сотен или десятков Гц. Этого более, чем достаточно, чтобы произвести адекватную многоканальную обработка сигнала по скорости. Частота следования импульсов должна быть такой, чтобы можно было однозначно перекрыть диапазон по возможным скоростям целей.
Параметры КНС в современных РЛС варьируются в достаточно широком диапазоне и могут адаптивно подстраиваться в зависимости от текущей радиолокационной обстановки.
Главным недостатком рассмотренного типа сигнала является неоднозначность измерения дальности до цели, а также большие потери энергии при процедуре обработки, главным образом из-за того, что время обработки сигнала всегда меньше времени стояния луча. Однако, КНС способен обеспечить наилучшие показатели, среди классических СДЦ по компенсации ПП различного рода.
Применение сложных сигналов с внутриимпульсной модуляцией.
Учитывая недостатки сигналов, рассмотренных в предыдущих разделах, можно рассмотреть использование сложных
сигналов с внутриимпульсной модуляцией для задачи обнаружения МБЛА. Главной их особенностью является возможность "сжатия" с помощью согласованного фильтра (СФ), что позволяет достичь хорошей энергетики сигнала при неплохом пространственном разрешении.
Сегодня в различных приложениях радиолокации находят свое применение сложные сигналы с двумя основными видами внутриимпульсной модуляции: линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и фазокодовой манипуляцией (ФКМ) [10]. Отклик СФ для сигналов с ФКМ имеет равномерный уровень боковых лепестков (который полностью определяется длинной применяемой М-последовательности и
составляет V ,— , где N - количество сим-ЧN
волов в последовательности). Также для формирования ФКМ-сигналов используют коды Баркера, здесь уровень боковых лепестков уже ниже и составляет , где N
- также количество символов в коде. Однако известно, что максимальная длина кода Баркера составляет 13.
В данной работе рассмотрение импульсных сигналов ограничивается применением внутриимпульсной модуляции типа ЛЧМ. Многие из известных радиолокаци-
онных комплексов обнаружения МБЛА, например [11], используют в своем арсенале именно этот тип ЗС. В научных трудах [2, 12] на основе полученных результатах эксперимента (зондирование летного поля) обсуждаются преимущества и недостатки такого сигнала в сравнении с технологией СКИРЛ, которая обсуждалась в предыдущих разделах.
Импульс с ЛЧМ является одним из первых, теоретически описанных, способов решить противоречие в радиолокации между обеспечением хорошей энергетики сигнала и достижением высокой разрешающей способности. Также такой сигнал наиболее прост в реализации [13].
Для того, чтобы обеспечить разрешающую способности по дальности порядка 1.5 м, необходимо иметь девиацию частоты сигнала порядка 100 МГц при длительности 5 мкс, тогда база сигнала будет иметь значение 500. При таких параметрах энергетический выигрыш в сравнении с технологией СКИРЛ будет составлять порядка 27 дБ.
На рисунке 3 представлен вид тела ФН ЛЧМ сигнала с заданными параметрами (а), а также вид сечения тела ФН при = 0 (б).
-ил 5 Hi
Задери*» 1
М <5>
Рис. 3. Вид тела ФН ЛЧМ сигнала длительностью 5 мкс (а), вид сечения тела ФН при
0 (б)
Как можно видеть из рисунка 3 (а) ФН ЛЧМ имеет «ножевидную» структуру. При внутриимпульсной ЛЧМ происходит поворот ФН простого сигнала длительностью ти на частотно-временной плоскости
на определенный угол, который определяется величиной частоты девиации. За счет этого эффекта появляется возможность получить «сжатый» сигнал на выходе СФ, вид такого «сжатого» импульса можно
наблюдать на рисунке 3 (б). Длительность отклика СФ по уровню -3 дБ составляет 10 нс, что соответствует разрешающей способности по дальности порядка 1.5 м. При этом максимальный уровень боковых лепестков (УБЛ) относительно максимума главного лепестка приблизительно равен -13 дБ.
Относительно высокий УБЛ ЛЧМ сигнала обуславливает его главный недостаток - плохую избирательность по дальности, т.к. сигналы от ПП, локализованные в определенных дискретах дальности, пролезают в смежные дискреты дальности, что затрудняет видимость малоразмерных целей, находящихся в непосредственной близости от паразитных отражателей [2].
Существует два основных способа снижения УБЛ: синтезирование сигнала с нелинейным видом ЧМ, например, с квадратичным законом изменения мгновенной частоты [14] или же применение весовой обработки (ВО) сигнала при приеме [9].
Заключение
В данной работе был проведен анализ различных типов ЗС, используемых в активных радиолокационных системах для обнаружения малоразмерных и низкоско-
особенности технологий СКИРЛ, КНС, а также сложные сигналы с внутриимпульс-ной модуляцией, такие как ЛЧМ.
Каждый из этих типов ЗС имеет свои преимущества и недостатки. СКИРЛ позволяет увеличить контрастность РЛС и до минимума нивелировать «мертвую зону», что важно при работе с целями на малых расстояниях. Однако, он имеет ограничение по дальности обнаружения из-за низкой энергетики.
КНС обеспечивает высокое разрешение по скорости, что делает его идеальным для систем скоростной селекции целей. Его основной недостаток - неоднозначность измерения дальности и большие потери энергии при обработке.
Сложные сигналы с внутриимпульсной модуляцией, такие как ЛЧМ, позволяют добиться баланса между энергетикой и разрешающей способностью, что делает их выбор актуальным для задачи обнаружения малоразмерных и низкоскоростных целей.
Таким образом, в зависимости от конкретных требований, можно выбрать наиболее подходящий тип ЗС, учитывая их особенности и ограничения.
ростных целей. Были изучены ключевые
Библиографический список
1. Ананенков А.Е., Марин Д.В., Нуждин В.М., Расторгуев В.В., Соколов П.В. К вопросу о наблюдении малоразмерных беспилотных летательных аппаратов // Труды МАИ. - 2016.
- № 91. - С. 1-18.
2. Ананенков А.Е. Обнаружение малоразмерных объектов сверхкороткоимпульсной РЛС / А.Е. Ананенков, В.П. Бакалов, А.В. Коновальцев, В.М. Нуждин, В.В. Расторгуев, В.Н. Скосырев, П.В. Соколов // Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике. - Муром, 2007. - С. 202-207.
3. Ананенков А.Е., Марин Д.В., Нуждин В.М., Расторгуев В.В., Скосырев В.Н. Экспериментальное исследование отражений от подстилающей поверхности и селекции в РЛС обзора летного поля // Журнал радиоэлектроники. - 2017. - №2. - [Электронный журнал].
- Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/feb17/11/text.pdf (дата обращения: 26.03.2024).
4. Скосырев В.Н., Нуждин В.М., Ананенков А.Е., Коновальцев А.В. Технология сверх-короткоимпульсной радиолокации - ключ к повышению информационных возможностей РЛС // Сборник 1-й международной конференции «Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике», г. Суздаль, 27-29 сентября 2005. - С. 53-61.
5. Сперанский В.С. Радиолокация, радиолокационные системы и устройства. - М.: Брис-М, 2011 - 257 с.
6. Кемайкин В.К., Демченко Н.А., Геенко А.А. Алгоритм обоснования параметров зондирующего сигнала для обнаружения малоскоростных и маловысотных целей // Программные продукты, системы и алгоритмы. - 2017. - №2. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://swsys-web.ru/ru/algorithm-for-justifying-the-parameters-of-the-probing-signal-for-target-detection.html. (дата обращения: 29.03.2024).
7. Васильев О.А., Виноградов Д.А., Моисеев С.А. Концепция разработки ЛЧМ-радара для обнаружения БПЛА // Защита информации в технических каналах. - 2023. - №1. -C. 1-7.
8. Зайцев Г.В. Цифровая обработка квазинепрерывных радиолокационных сигналов с использованием весовых функций малой степени // Цифровая обработка сигналов. - 2013.
- № 4. - С. 9-16.
9. Трухачев А.А. Радиолокационные сигналы и их применения. - М.: Воениздат, 2005. -320 с.
10. Бердышев В.П. Радиолокационные системы: учеб. / В.П. Бердышев, Е.Н. Гарин, А.Н. Фомин [и др.]; под общ. ред. В.П. Бердышева. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т . -2011. - 400 с.
11. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://rolos.ru/radar (дата обращения: 30.03.2024).
12. Скосырев В.Н. Повышение информативности радиолокационных систем на основе технологий сверхширокополосных сигналов // Журнал радиоэлектроники. - 2012. - №7. -С. 1-10.
13. Доматырко Д.Г. Моделирование ЛЧМ сигналов и их достоинства перед другими сложными сигналами // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6, № 4. - С. 144-149.
14. Иванников А.П., Иванников Д.А. Метод Синтеза импульсных сигналов с нелинейной частотной модуляцией. Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - 2015.
- №2. - С. 11-18.
RESEARCH ON RADAR PROBING SIGNALS FOR THE DETECTION OF SMALL-SIZED AND LOW-SPEED TARGETS
D.A. Vezarko, Graduate Student
Moscow Technical University of Communications and Informatics (Russia, Moscow)
Abstract. This work addresses the problem of detecting small-sized and low-speed targets (modern FPV drones) using active radar systems. It provides an analysis of the most relevant types of probing signals, studying their effectiveness and limitations in the context of detecting such targets.
Keywords: small-sized unmanned aerial vehicle, active radar, target detection, probing signal.
