CC BY
130
УДК 621.391
Р.В. Свердлов
канд. техн. наук, доцент, кафедра «Конструирование и технологии радиоэлектронных средств», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
КОМБИНИРОВАННЫЕ ЗОНДИРУЮЩИЕ СИГНАЛЫ ДЛЯ РАБОТЫ В СЛОЖНОЙ ПОМЕХОВОЙ ОБСТАНОВКЕ
Аннотация. В статье рассмотрен комбинированный радиолокационный зондирующий сигнал с временным разнесением составляющих для работы в ближней и дальней зонах обнаружения, обеспечивающий повышенную защищенность от пассивной помехи; рассмотрено изменение структуры сигнала в зависимости от поражения дистанции пассивной и активной помехой.
Ключевые слова: комбинированный зондирующий сигнал, ближняя зона, временное разнесение, активная шумовая помеха, укороченный комбинированный сигнал.
R.V. Sverdlov, Arzamas Polytechnic Institute (branch) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alexeev
COMBINED PROBING SIGNALS TO WORK IN JAMMING ENVIRONMENT
Abstract. Use of combined probing signal with signal component time density for work in short and long range detection area providing increased passive interference protection described in the article. Signal structure change with active and passive interference range destruction is considered.
Keywords: combined probing signal, short range, time diversity, active noise interference, shortened combined signal.
При разработке импульсных радиолокационных станций (РЛС) существуют два подхода к выбору параметров зондирующего сигнала (ЗС). При первом период посылки сигнала Тп определяется из условия однозначного определения дальности до цели:
где Ям - максимальная дальность обнаружения РЛС, С - скорость света.
Ям определяется радиусом Земли и высотой полета цели. Максимальная высота полета современных самолетов не превышает 20 км. Поэтому = 400-500 км, что соответствует Тп = 3-4 мс. Данный сигнал характерен для РЛС дальнего обнаружения.
Большая часть парка РЛС в России и за рубежом работает в диапазоне волн Л = 0.1-0.8 м, для которого интервал межпериодной корреляции пассивной помехи (ПП) ткп = 5-10 мс [1, 5], т.е. соизмерим с периодом посылок зондирующих импульсов, что не позволяет обеспечить требуемое качество подавления ПП в системах селекции движущихся целей (СДЦ): коэффициент подавления ПП составляет 10-24 дБ [1, 4, 5], тогда так как известно, что для уверенного обнаружения цели на фоне ПП необходимо обеспечить подавление помехи 50-80 дБ [1, 4, 5].
Второй подход заключается в выборе периода посылок ЗИ, исходя из требуемого подавления ПП. Требуемое подавление обеспечивают РЛС с периодом посылок ЗИ 0.1-0.3 мс, так называемой высокой частотой посылок. Сигнал практически непригоден при работе на дистанцию 400-500 км из-за размножения ПП на всю дальность до суммирования ПП смежных периодов, неоднозначности определения дальности до цели, эффекта слепых скоростей и дальностей [4]. Данный сигнал применяется в РЛС, имеющих максимальную дальность 150-200 км, например, РЛС обнаружения маловысотных целей. При этом вся дистанция поражена ПП, поэтому режим СДЦ является нормальным режимом работы.
Однако существует возможность объединения преимуществ обоих видов ЗС в одном
(1)
сигнале. В данной работе рассматривается комбинированный зондирующий сигнал (КЗС) для импульсных РЛС дальнего обнаружения. В течение одного периода КЗС Тпк излучается один ЗИ с внутренним периодом Тп1, определяемым из условия (1) - импульс низкой частоты посылок (НЧП); по окончании его, после прихода эхо-сигнала с максимальной дальности, излучается пачка ЗИ с внутренним периодом Тп2, определяемым из условия требуемого подавления ПП с числом импульсов пачки М, необходимым для работы системы СДЦ - импульсы высокой частоты посылок (ВЧП). Пачка ЗИ ВЧП излучается после момента Тп1, когда эхо-сигналы от импульса НЧП отсутствуют. Эхо-сигналы от пачки ВЧП, ввиду уменьшения средней мощности пачки в расчете на обнаружение целей на дальности до 150-200 км, затухают к моменту начала приема эхо-сигналов с большей дальности (Я > Япп) от ЗИ НЧП, т.к. между последним импульсом пачки ЗИ ВЧП и этим моментом проходит время Тп2 + Т-|+^п.
Таким образом, для устранения взаимных помех каналов используется временное разнесение сигналов ВЧП и НЧП. Структура сигнала представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Структура огибающей КЗС
Здесь:
- время существования пассивной помехи, ¿пп = 2Япп/С,
Тп1 - внутренний период посылок импульса, предназначенного для работы в зоне Япп^Ям, определяемый из условия (1), импульс НЧП;
Т1 - длительность импульса НЧП;
Тп2 - внутренний период посылок импульса, предназначенного для работы в зоне 0^Япп, определяемый из условия требуемого подавления ПП, импульс ВЧП;
Т2 - длительность импульса ВЧП;
N - число импульсов ВЧП в пачке, излучаемой в течение одного периода КЗС;
Тпк - период КЗС.
Осуществить временное разнесение составляющих сигнала позволяет пространственное разнесение зоны существования ПП и зоны, свободной от ПП. Зона существования ПП ограничивается максимальной дальностью Япп = 150-200 км, так как мешающие отражения от местных предметов ограничены кривизной поверхности Земли, а сброс искусственной ПП противником раньше указанной дистанции невыгоден самому противнику, так как демаскирует его [1]. Итак, в режиме СДЦ, на дистанции 0^Япп (в ближней зоне обнаружения, БЗ) в КЗС работает пачка импульсов ВЧП, на дистанции (в дальней зоне обнаружения, ДЗ) - импульс НЧП.
Временное разнесение ЗИ ВЧП и НЧП позволяет обойтись без разнесения их по несущей частоте, применяемого в предшествующих разработках.
Поскольку пачка БЗ имеет ограниченную длительность и гораздо меньшую по сравнению с импульсом ДЗ среднюю мощность, то эффект размножения ПП на ДЗ устраняется полностью, а эффект наложения ПП полностью компенсируется ее высоким подавлением.
Преимущества КЗС: ЗИ ВЧП и НЧП полностью независимы по выбору параметров модуляции; не требуется частотная расстройка составляющих; обработка сигналов БЗ и ДЗ производится в отдельных каналах, информация которых суммируется по выходу; устраняется эффект наложения и размножения ПП; повышается надежность обнаружения цели на фоне ПП в БЗ; в ДЗ обнаружение целей происходит на фоне собственного шума; имеется возможность
защиты от активных шумовых помех за счет перестройки несущей частоты через Тпк; обеспечивается эффективная борьба с эффектом слепых скоростей, слепых дальностей, неоднозначностью определения дальности при ВЧП; исключается эффект декорреляции ПП за счет вращения антенны, характерный для использования систем СДЦ в РЛС с однозначным периодом посылок, определяемым согласно (1); устраняются ограничения на длительность ЗИ НЧП (мертвая зона) ввиду обработки БЗ пачкой ВЧП; в НЧП возможно применение любых сигналов, т.к. отсутствуют ограничения, диктуемые СДЦ.
Недостатком КЗС является то, что период посылок ЗИ НЧП увеличивается по сравнению с однозначным ЗС НЧП на длительность пачки импульсов ВЧП, средняя мощность РЛС в дальней зоне обнаружения снижается в результате затрат мощности на формирование пачки ЗИ ВЧП. Это несколько снижает точность измерения координат и максимальную дальность действия РЛС в ДЗ, что легко компенсируется небольшим повышением мощности. Расчеты показывают, что снижение Ям при использовании КЗС составляют около 5% [2, 3].
Упрощенная схема приемника РЛС с КЗС приведена на рисунке 2. Она содержит два канала: канал ДЗ, где СФ1 - согласованный с ЗИ низкой частоты посылок фильтр, КЛ1-клапан, отключающий канал ДЗ на время Тп1 + Тпк + Т1 + ЫТп2 и включающий его на время приема эхо-сигналов ДЗ Т1 + ЫТп2 + Тп1, и канал БЗ, где СФ2 - согласованный с ЗИ высокой частоты посылок фильтр, СДЦ - система селекции движущихся целей (система череспери-одного вычитания, ЧПВ), СУН - схема устранения неоднозначности определения дальности, КЛ2 - клапан, отключающий канал БЗ на время Тп1 (на время работы РЛС в дальней зоне обнаружения). Схема также содержит: ПР - приемник радиоимпульсов, СР - синхронизатор, управляющий работой клапанов с помощью синхроимпульсов, СО - схема объединения сигналов на выходе каналов, производящая преобразование масштаба времени и стро-бирование пораженных ПП участков зоны обзора.
Рисунок 2 - Функциональная схема приемника для работы на КЗС
К преимуществам КЗС можно также отнести то, что он является режимом работы РЛС, включаемом в зависимости от обстановки. Параметры сигнала могут меняться автоматически, в соответствии с помеховой обстановкой в конкретном азимутальном направлении. Покажем, как может происходить это изменение.
Максимальная дальность обнаружения РЛС Ям на фоне активных шумовых помех (АШП) типа белого гауссова шума (БГШ) зависит от минимальной принимаемой энергии сигнала Етп, обеспечивающей заданные вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги [4, 6]:
я ~
м
1
(2)
2 2
д0 N0/2, д0 - пороговое отношение «сигнал/шум» на выходе
где Етп определяется [4, 6]: Етп согласованного фильтра, Ы0 - спектральная плотность мощности БГШ.
4
Итак,
Rm ~ 4 — . (3)
—0
Воздействие на РЛС активной шумовой помехи (АШП) ведет к уменьшению максимальной дальности обнаружения, т.к. действие ее аналогично увеличению спектральной плотности мощности БГШ до величины —0+—п, где —п - спектральная плотность мощности АШП на выходе согласованного фильтра. Максимальная дальность обнаружения в условиях действия АШП Ямп зависит от спектральной плотности мощности АШП согласно
Ямп ~ 4/—1-. (4)
4 N0 + — ^
Обозначив коэффициент уменьшения дальности при воздействии АШП V-! = Ям/Ямп, можно записать:
А +Nп
п = 4 »П (5)
где Vo = — п/—0 - отношение спектральных плотностей мощности АШП и БГШ. Уменьшение Ям позволяет уменьшить период посылок ЗИ в v1 раз:
ТпА = Т = , (6)
п п
где Rм - максимальная дальность обнаружения при отсутствии АШП.
Уменьшение периода посылок ЗИ увеличивает коэффициент подавления ПП при одно-, двух-, трехкратном ЧПВ соответственно [2, 4]:
т2 т4 т6
Кп- » Кп2 » Кп3 » ^ и т.д., (7)
' п 2 п т п
где Ткп - время межпериодной корреляции ПП.
Итак, коэффициент подавления ПП при укорочении периода посылок Кпа изменяется относительно первоначального Кп при одно-, двух-, трехкратном ЧПВ соответственно согласно соотношениям:
КтЛ, — К„ —— , Кло — Кп —— , — К„
пА1 л/ ' пА2 п л/ ' пА3 п
\ — о — о
' — f4
—11 . (8)
V —о )
С другой стороны, при действии АШП уменьшается динамический диапазон пассивных помех [2]:
m-. (9)
п
где ^пА - динамический диапазон ПП при отсутствии АШП, ¿ипА - динамический диапазон ПП при наличии АШП.
Так, ПП с динамическим диапазоном = 60 дБ при воздействии АШП с v0 = 20 дБ будет иметь ¿ипА = 40 дБ.
Поскольку превышение спектральной плотности мощности АШП над БГШ велико [1, 4], v0 >> 1, велико также уменьшение периода посылок ЗИ v1. При этом возможно появление значений ТпА, сравнимых и даже меньших протяженности по времени ПП ¿пп. Так, при отношении спектральных плотностей мощности v0 = 100, максимальной дальности обнаружения Rm = 400 км, периоде посылок ЗИ Тп = 3 мс получаем: уменьшение периода посылок около трех раз, максимальная дальность обнаружения ЯмА = 120 км<^пп, период посылок ЗИ ТпА= 1 мс, коэффициент подавления ПП (при ткп = 10 мс) КпА = 37 дБ.
Здесь применение ЗИ ВЧП не требуется, т.к. достаточное подавление ПП (с уменьшенным на фоне АШП динамическим диапазоном) происходит при уменьшенном ввиду уменьшения RM периоде посылок ЗИ НЧП ТпА. При больших значениях v0 эффект уменьшения периода посылок, естественно, выражается сильнее.
Таким образом, в условиях воздействия АШП применение КЗС не требуется, т.к. подавление ПП до возможного в этом случае уровня достигается при однозначном уменьшенном периодом посылок ЗИ ТпА. При меньших значениях Мп/М0 < 100 возможно применение КЗС с меньшим числом импульсов пачки ближней зоны и увеличенным периодом посылок Тп2.
Мощность АШП меняется при круговом обзоре по азимуту, поэтому для учета изменяющейся Ып возможно изменение структуры КЗС в зависимости от измерений v0. Режим КЗС при этом должен использоваться в направлениях, в которых есть ощутимая разница между ТпА, используемом в ЗИ НЧП, и протяженностью БЗ ^пп, т.е. где есть возможность большего подавления ПП. Изменение структуры КЗС целесообразно только при отношении Мп/М0 >> 1, когда существенно уменьшается максимальная дальность обнаружения РЛС.
В ряде случаев число импульсов ВЧП в пачке может быть уменьшено до двух [2], как показано на рисунке 3. Компенсация ПП при этом производится с помощью оптимального весового суммирования, которое обеспечивает коэффициент подавления ПП эквивалентный однократному ЧПВ. Упрощенный КЗС состоит из одного импульса НЧП и двух импульсов ВЧП, период которых выбирается из требуемого коэффициента подавления ПП при однократном ЧПВ. Длительность всего сигнала составляет: Тпку = Тп1 + + Тп2.
Рисунок 3 - Структура огибающей упрощенного КЗС
Преимущество этого вида КЗС: меньший расход энергии на пачку БЗ, упрощение аппаратуры СДЦ, укорочение периода КЗС. Однако, подавление ПП здесь не больше, чем при однократном ЧПВ. Этот фактор ограничивает возможность применения упрощенного КЗС условиями с относительно невысокой мощностью ПП. В указанном случае возможна структура КЗС, представленная на рисунке 4. При этом период посылок сигнала не уменьшается.
Рисунок 4 - Структура огибающей укороченного КЗС
Итак, в работе рассмотрен комбинированный зондирующий сигнал с временным разнесением составляющих, обеспечивающий повышенную защищенность от пассивных помех в зоне их существования и обнаружение цели на фоне собственного шума в зоне от них свободной, лишенный недостатков, присущих аналогичным предшествующим разработкам; предложена упрощенная функциональная схема приемника для работы на данном сигнале; предложено несколько видов КЗС, соответствующих различной степени поражения дистанции пассивной помехой; показано изменение структуры сигнала в зависимости от конкретной помеховой обстановки.
Список литературы:
1. Бартон, Д.К. Модели мешающих отражений от земной поверхности для анализа и проектирования РЛС // ТИИЭР. - 1985. - № 2.
2. Пахомов, Ю.И. Обработка радиолокационных сигналов на фоне пассивных помех / Ю.И. Пахомов. - Нижний Новгород: НГТУ, 1997.
3. Свердлов, Р.В. Разработка комбинированных зондирующих сигналов для РЛС дальнего обнаружения с повышенной защищенностью от пассивных помех: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Нижний Новгород: НГТУ, 1996.
4. Сосулин, Ю.Г. Оценочно-корреляционная обработка сигналов и компенсация помех / Ю.Г. Сосулин, В.В. Состров, Ю.Н. Паршин. - М.: Радиотехника, 2014.
5. Спэффорд, Л. Оптимальная обработка радиолокационного сигнала при наличии отражений от местных предметов // Зарубежная радиоэлектроника. - 1969. - № 10. - (Изв. высш. учеб. заведений).
6. Теоретические основы радиолокации / Я.Д. Ширман, В.Н. Голиков, И.Н. Бусыгин [и др.]; под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: Совет. радио, 1970.
