CC BY
379
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
УДК 621.396.967 DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2019.4(116).65-71
МАЛОГАБАРИТНАЯ РЛС Х^-ДИАПАЗОНА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ/СОПРОВОЖДЕНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ БПЛА
Н.Е.Быстров, И.Н.Жукова, Н.АКунец, В.М.Реганов, С.Д.Чеботарёв
COMPACT X/L-BAND RADAR FOR MINIATURE UAV DETECTION AND TRACKING
N.E.Bystrov, I.N.Zhukova, N.A.Kunetz, V.M.Reganov, S.D.Chebotarev
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, [email protected]
В настоящее время обостряется проблема организации и регулирования движения беспилотных воздушных судов (БВС). Наиболее эффективным средством обнаружения и слежения за БВС являются радары. Сама по себе задача обнаружения низколетящих малоразмерных целей на фоне подстилающей поверхности является крайне сложной. Необходимо выделить слабый сигнал малоразмерной цели из аддитивной смеси полезного сигнала, мощных пассивных помех и шума. Задача решается радиолокационными станциями с высоким энергопотенциалом, реализующими при обработке отражений эффективные алгоритмы селекции движущихся целей на фоне помех. Стоимость подобных радиолокаторов весьма значительна. Для больших площадей покрытия требуются решения на базе систем из недорогих радиолокационных станций. В статье приводится описание реализаций малогабаритных РЛС X/L-диапазона для обнаружения/сопровождения БВС. Представлены результаты их экспериментальной проверки.
Ключевые слова: радиолокационная станция, БпЛА, квазинепрерывный режим
Currently, the problem of organizing and regulating of the movement of unmanned aerial vehicles (UAVs) is becoming ever more acute. The most effective means of detecting and tracking of the UAV are radars. In itself, the detection of low-flying small targets under background of the underlying terrain is extremely difficult. It is necessary to isolate a weak signal of a small-sized target from an additive mixture of useful signal, powerful passive interference and noise. The problem is solved by radar stations with high energy potential, which implement effective algorithms for selection of moving targets against the background of interference when processing reflections. The cost of such radars is very significant. Solutions based on low-cost radar systems are required to cover large areas. A description of the implementation of compact x/L-band radar for miniature UAV detection and tracking of s is presented in the article. The results of their experimental verification are presented. Keywords: radar, UAV, quasi-continious mode
Введение
В последние годы наблюдается стремительный рост числа беспилотных летательных аппаратов (БпЛА). БпЛА входят в нашу жизнь. Их широко используют в видеопроизводстве и СМИ, при создании рекламы. БпЛА применяют при картографировании, для мониторинга, в логистике, в сельском хозяйстве и строительстве, при поиске и спасении, и, конечно же, с целью развлечения. Список этот может быть продолжен.
Любой, даже самый дешевый и доступный БпЛА сам по себе, как воздушный объект, может представлять угрозу. Например, реальную опасность создают полеты БпЛА в близости от аэропортов или над скоплением людей. На слуху нашумевший инцидент в декабре 2018 г., когда в течение суток было полностью парализовано воздушное сообщение в аэропорте Гатвик, Лондон. И с каждым годом число таких примеров растет.
В этой связи актуальны вопросы организации и управления движением, а также обеспечения безопасности полетов БпЛА. Один из основных методов
наблюдения за БпЛА при решении задач контроля воздушного пространства или охраны объектов является применение радиолокационных систем (РЛС).
Само по себе радиолокационное обнаружение низколетящих целей (НЛЦ) на фоне подстилающей поверхности является одной из самых сложных задач. Требуется обнаруживать миниатюрные БпЛА, эффективная площадь рассеяния (ЭПР) которых составляет тысячные доли квадратного метра. Кроме того, такая НЛЦ оказывается в пределах ширины диаграммы направленности антенны (ДНА) вместе с подстилающей поверхностью, мощные отражения от которой маскируют сигнал от БпЛА. Даже РЛС с узким лучом ДНА в вертикальной плоскости (например, миллиметрового диапазона) не решает в полной мере указанную проблему, особенно на территориях с неровным рельефом местности, в условиях городской застройки.
Еще одна сложность состоит в необходимости ограничения пиковой мощности согласно требованиям по безопасности излучения для человека и электромагнитной совместимости с существующими при-емно-передающими системами, массово функционирующими в городской среде.
б)
Рис.1. Внешний вид РЛС. а) экспериментальный образец \-диапазона; б) макетный образец L-диапазона (без антенны)
Таким образом, задача обнаружения сверхмалоразмерных воздушных объектов на фоне подстилающей поверхности на больших площадях и крайне неравномерным рельефом местности остается до сих пор нерешенной.
Решение поставленной задачи следует искать в построении сети недорогих малогабаритных РЛС, размещаемых на существующих объектах городской инфраструктуры: вышках систем связи и ТВ-радиовещания, высотных зданиях и т. д. В простейшем случае объединенные в единую сеть РЛС могут выдавать результаты обработки в центр сбора и обработки информации. В критически важных применениях, когда, например, требуется вести обнаружение высокоскоростных объектов, можно выполнять совместную когерентную обработку, работая как сеть многопозиционных РЛС.
Сеть РЛС обладает рядом очевидных преимуществ. В первую очередь, это снижение требований к мощности излучения РЛС, т.к. увеличение дальности обнаружения достигается путем установки соответствующего числа радаров. Невысокая мощность излучения делает безопасным их установку на объектах городской инфраструктуры. Выбор расположения РЛС позволяет исключить зоны затенения обнаружения в условиях неровного рельефа местности. Еще одним преимуществом применения сети РЛС является эффективное преодоление проблемы интерференционных провалов, возникающих при переотражении сигнала НЛЦ от подстилающей поверхности. Кроме того, при обнаружении одной и той же цели несколькими РЛС можно существенно повысить точность измерения ее параметров и тра-екторной информации. Платой за указанные преимущества становятся жесткие требования к РЛС по массогабаритным характеристикам и стоимости. Кроме того, усложняются алгоритмы обработки информации.
В статье описываются малогабаритные РЛС Х^ диапазонов, которые предлагается использовать в подобной сети РЛС. Представлены результаты экспериментальной проверки обнаружения ими малоразмерных БпЛА.
Описание образцов малогабаритных РЛС X/L-диапазонов
Экспериментальная проверка возможности обнаружения малоразмерных БпЛА проводилась на образцах РЛС, представленных на рис.1. Их основные технические характеристики приведены в таблице.
Основные технические характеристики экспериментального образца РЛС Х-диапазона и макета РЛС L-диапазона
Х-диапазон L-диапазон
Инструментальный диапазон дальностей, км 0...25* 0.32*
Элемент разрешения по дальности, м (не хуже) 5 3
Минимальная дальность обнаружения, м (не более) 50 30
Диапазон обрабатываемых радиальных скоростей, м/с 0.70 0.102
Элемент разрешения
по радиальной скорости, м/с (не хуже) 1,1 1,6
СКО измерения радиальной скорости, м/с (не более) 0,5 0,6
Зона обзора по азимуту, 360 360
град
Темп обзора, об/мин 6/12/24/48* 12
Ширина ДНА по уровню минус 3дБ (азимут х угол места), град (не более) 2,3х60 10х50
Диапазон рабочих частот, МГц 9410±50 1580
Излучаемая импульсная мощность, Вт (не более) 10 30
Потребляемая мощность, Вт (не более) 100 300
Вес, кг (не более) 40 10
В качестве зондирующего в образцах используется шумоподобный амплитудно-фазоманипулиро-ванный сигнал при работе в квазинепрерывном режиме (КНР) излучения и приема [1-3]. Зондирование пространства в КНР производится отдельными фазомани-
Импульс синхронизации
Сигнал амплитудной манипуляции
Зондирующий сигнал
Value Жеап Min Мах 71.43MHz Low signal amplitude 340mV 340m 340m 340m S.OOmV S.OOm 8.00m S.OOm
572.2 Hz 572.2 572.2 572,2
40GMS
300.000ns
2.50GS/S
10M points j
_____
dFTiminq Resolution: 2.00ns I
f§ \ 1 ..56 V 572.204 Hi
[13 Jan 2014 .13:02:53
Рис.2. Пример осциллограммы фрагмента огибающей зондирующего КНС, совместно с импульсом синхронизации и сигналом амплитудной манипуляции
пулированными посылками с псевдослучайной длительностью и интервалом следования, а прием отраженных сигналов производится в паузах излучения. Излучаемый квазинепрерывный сигнал (КНС) обеспечивает высокую чувствительность, а его большая длительность и малая средняя скважность (пик-фактор) — высокий энергетический потенциал РЛС. На рис.2 приведен типичный вид зондирующего КНС.
КНС обеспечивает одновременное однозначное с высокой точностью измерение дальности и скорости объектов, отсутствие «слепых» дальностей и скоростей. Большая длительность когерентного сигнала при низком значении его пик-фактора обеспечивает эффективную доплеровскую селекцию целей (СДЦ), характерную для непрерывного излучения. Все это позволяет обнаруживать малоразмерные НЛЦ на фоне подстилающей поверхности.
Шумоподобный непериодичный характер КНС обеспечивает высокую помехозащищенность и помехоустойчивость, что позволяет одновременно работать нескольким РЛС, не мешая друг другу в радиусе действия.
Высокий энергетический потенциал КНС позволяет применять относительно недорогие мало-
мощные твердотельные передающие устройства, что облегчает решение вопросов электромагнитной совместимости и экологической безопасности.
Экспериментальные образцы имеют традиционную схему построения. Упрощенные структурные схемы РЛС Х и L-диапазонов приведены на рис.3 и 4 соответственно.
Приемо-передающий модуль образца РЛС Х-диапазона обеспечивает усиление и перенос спектров принимаемых и формируемых сигналов на несущую частоту. Формирование и первичная обработка радиолокационных сигналов реализована в цифровом виде в модуле формирования и обработки сигналов. Задачи вторичной обработки радиолокационной информации (РЛИ), а также общего управления радаром возложены на модуль вторичной обработки РЛИ. Выдача результатов обработки (а также, возможно, и прием команд управления) осуществляется по стандартным последовательным интерфейсам IEEE 802.3 Ethernet или EIA/TIA-485 (RS-485).
Генератор опорных частот формирует сигналы синхронизации и привязки по частоте гетеродином приемо-передающего модуля. Опционально, в экспериментальном образце предусмотрена установ-
Рис.3. Упрощенная структурная схема РЛС Х-диапазона 67
к
ПЭВМ
Модуль формирования и обработки сигналов Усилитель мощности
i
Коммутатор
Малошумящий усилитель 1
к
антенне
Рис.4. Упрощенная структурная схема макета РЛС L-диапазона
ка приемника спутниковых систем глобального позиционирования GPS/ГЛОНАСС. Выделяемый приемником сигнал используется для подстройки генератора опорных частот, обеспечивая синхронизацию работы нескольких РЛС в режиме многопозиционной радиолокации.
В целях снижения стоимостных характеристик образца РЛС X-диапазона для обеспечения кругового обзора применена вращающаяся антенная система открытого типа.
Макет РЛС L-диапазона содержит модуль формирования и обработки сигналов, реализованный на вычислительном модуле FPU1500 стандарта VPX VITA 46.0 с установленным мезонином трансивера MIC1831 стандарта FMC VITA 57.1. Данная конфигурация позволяет формировать, принимать и обрабатывать широкополосный сигнал непосредственно на несущей частоте. В результате к выходу модуля подключен усилитель мощности L-диапазона на 30 Вт импульсной мощности. Коммутатор защищает входные цепи малошумящего усилителя, установленного в приемном тракте макета.
Результаты обработки передаются из макета по стандартному последовательному интерфейсу Ethernet 802.3 1000BASE-T в персональный компьютер с установленным программным обеспечением вторичной обработки и индикации РЛИ. Подключение к антенной системе макета производится через разъем по коаксиальному кабелю.
Результаты экспериментальных испытаний
С целью проверки потенциальных возможностей обнаружения НЛЦ образцами РЛС была проведена серия экспериментов.
В качестве НЛЦ использовались квадрокопте-ры DJI Phantom 3 и Mavic. По разным оценкам [4-7] ЭПР подобных квадрокоптеров составляют от 0,001 до 0,1 м2, но наиболее близкими к истинным оказываются значения 0,01 м2 и 0,005 м2 соответственно.
Рис.5. Место размещения РЛС в ходе экспериментальной проверки
отметка
НЛЦ /
/ отметка
/ НЛЦ
а) б)
Рис.6. Вид экрана индикатора при сопровождении НЛЦ: а) на сближение; б) на удаление
а)
Рис.7. Вид индикатора РЛИ в условиях мощных отражений о жиме селекции движущихся целей
Обнаружение проводилось при пролетах над замерзшим озером (см. рис.5) квадрокоптеров на разных высотах, скоростях и направлениях движения относительно антенны.
В качестве иллюстрации приведены снимки экранов программного обеспечения индикатора РЛС Х-диапазона при сопровождении DЛ Mavic при его курсе на сближение (рис.6а) и на удаление (рис.6б) от РЛС. На фоне неподвижных отметок зеленого цвета, красным на индикаторе отображаются приближающиеся, а синим — удаляющиеся цели. Модуляцией цвета отметок отображается их величина измеренной доплеровской частоты.
В ходе проведенных экспериментов квадро-коптеры обнаруживались во всей области прямой видимости их полетов (около 1,7 км) в различных ракурсах по отношению к антенне РЛС. Однако это стало возможным благодаря достаточно низкому уровню отражений от подстилающей поверхности в виде ровного толстого слоя снега над поверхностью льда озера. Аналогичная ситуация наблюдалась и при экспериментах по обнаружению низколетящего квад-рокоптера над ровным полем.
При наличии большого числа блестящих точек, вызванных мощными отражениями, например, от скалистых участков или построек, обнаружение неподвижного (зависшего) квадрокоптера практически невозможно. Иллюстрацией этому служит приведенный на рис.7а снимок экрана индикатора РЛИ РЛС Х-диапазона с неподвижной целью на фоне множественных мощных отражений от подстилающей поверхности. На рис.7б представлен снимок экрана индикатора с той же целью после того, как она продолжила движение (для удобства восприятия, здесь включен режим отображения только отметок, имеющих ненулевой доплеровский сдвиг частоты). Как видно на индикаторе первого рисунка, неподвижная цель легко теряется среди отметок от подстилающей поверхности. В этой
б)
подстилающей поверхности: а) при неподвижной цели; б) в ре-
связи на передний план выходят задачи идентификации целей и как наиболее очевидный вариант — это применение совместно с РЛС оптико-электронных систем для слежения за обнаруженными НЛЦ.
Аналогичные испытания проводились на макетном образце РЛС L-диапазона. В качестве НЛЦ использовался тот же квадрокоптер DЛ Mavic при разных скоростях движения, высотах и ракурсе относительно антенны.
Проведенные эксперименты подтвердили достижение радаром L-диапазона сопоставимых с РЛС X-диапазона потенциальных характеристик обнаружения БпЛА. В ходе экспериментов квадрокоптер обнаруживался всем радиусе его управления (до 2 км). В качестве примера на рис.8 приведен снимок экрана индикатора РЛИ образца РЛС L-диапазона с отметками трассы движения квадрокоптера DЛ Mavic на сближении.
Рис.8. Трасса БпЛА на экране индикатора РЛИ РЛС L-диапазона
Сопоставляя результаты испытаний РЛС L-диапазона и Х-диапазона, следует отметить, что параметры антенной системы последней при сравнимых габаритах оказываются существенно лучше. Это связано с тем, что в L-диапазоне меньше затухание в свободном пространстве, а также существенно выше ЭПР малоразмерных квадрокоптеров. Дополнительный выигрыш для РЛС L-диапазона может быть получен за счет увеличения длительности когерентного накопления в виду более широкого луча ДНА и, как следствие, времени его контакта с целью. Это же позволит несколько приблизиться к разрешению по до-плеровской частоте локатора X-диапазона. Повышение точности измерения угловых координат может быть достигнуто за счет совместной обработки результатов обнаружения нескольких РЛС L-диапазона. По-видимому, плохое угловое разрешение — наиболее сложно устранимый недостаток РЛС этого диапазона.
Другой фактор, препятствующий обнаружению целей на фоне мощных отражений от подстилающей поверхности, связан с проявлением интерференционных минимумов (провалов).
Распределение их по дальности зависит в общем случае от взаимного расположения НЛЦ, подстилающей поверхности и антенны. Чтобы интерференция отраженных сигналов не препятствовала обнаружению цели, в общем случае необходим некоторый запас по максимальной дальности обнаружения и/или темпу обзора пространства. В этом случае пропуски движущейся цели на одном или нескольких циклах зондирования не будут оказывать значимое влияние на работу устройства вторичной обработки, а также будет достаточно времени для принятия решения. На практике это означает, что при реальных скоростях большинства существующих малоразмерных БпЛА расстояние в 3-5 км они будут преодолевать за сотни секунд, так что при темпах обзора 5 секунд и менее отметок от целей будет несколько десятков на фоне 2-3 пропусков, вызванных интерференционными провалами.
Когда возможность обеспечить вышеуказанный запас по потенциалу РЛС отсутствует, известным эффективным способом борьбы с пропусками является применение многопозиционной радиолокации, поскольку фазовые соотношения отраженных сигналов одинаково зависят и от взаимного расположения системы «цель — местные предметы — антенна». Именно поэтому система из нескольких РЛС с взаимно перекрывающимися зонами наблюдения за воздушным пространством позволяет многократно снизить вероятность пропусков целей из-за интерференции сигналов.
Так как при многолучевом распространении сдвиги сигналов в точке приема зависят от длины радиоволны, то устранение этих пропусков возможно при работе РЛС на разных несущих частотах.
При проведении совместных испытаний по обнаружению квадрокоптера на удалении около 1 км не было зафиксировано ни одного случая, когда бы эти интерференционные провалы одновременно наблюдались для обоих типов РЛС. Таким образом, была
подтверждена целесообразность совместного использования РЛС L-диапазона и X-диапазона.
Выводы
Разработанные малогабаритные РЛС X- и L-диапазонов позволяют обнаруживать малоразмерные БпЛА. Следует ожидать, что потенциальная дальность обнаружения микро-БпЛА составит 3-5 км, что с учетом скорости их движения достаточно для обеспечения безопасности. Применяемый в РЛС квазинепрерывный сигнал обеспечивает такие важные преимущества, как: высокий энергетический потенциал, экологическая безопасность за счет малой мощности излучения, высокая электромагнитная совместимость с существующими радиопередающими системами, высокая помехозащищенность, однозначное измерение дальности и радиальной составляющей скорости цели за один цикл зондирования. Все это позволяет использовать разработанные РЛС для организации систем контроля над воздушным движением БВС. Применение комбинации радаров L- и X-диапазонов позволяет избежать пропусков целей за счет интерференционных минимумов.
Работа выполнена при поддержке Минобрнау-ки России, проект №8.7367.2017/8.9.
1. Bystrov N.E., Zhukova I.N., Reganov V.M., Chebotarev S.D. Range and Doppler Ambiguity Elimination in Coherent Radar using Quasicontinuous Signals // Journal of Mechanical Engineering Research and Developments. 2017. Vol. 40. №4. P.37-46.
2. Zhukova I.N., Bystrov N.E., Reganov V.M., Chebotarev S.D. Time-frequency cross-correlation function estimation in radars with common aerial for transmission and reception of quasicontinuous signals // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2018. Vol.13. Issue Specialissue 11. P.8826-8835.
3. Bystrov N.E., Zhukova I.N. Clutter clipping in radar with quasicontinuous mode of transmission and reception of signals with pseudorandom amplitude- and phase-shift keying // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1096. 2019. 012154. doi:10.1088/1742-6596/1096/1/012154.
4. Ritchie М., Fioranelli F., Griffiths H., Torvik B. Micro-drone RCS analysis [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/285164289_Micro drone_RCS_analysis (дата обращения: 19.04.2019).
5. 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. Выпуск №91 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://trudymai.ru/upload/iblock/592/ananenkov_marin_nuzh din_rastorguev_sokolov_rus.pdf?lang=ru&issue=91 (дата обращения: 19.04.2019).
6. Chenchen J. Li and HaoLing. Radar Signatures of Small Consumer Drones [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://users.ece.utexas.edu/~ling/SmallDroneISAR_Li_Ling. pdf (дата обращения: 19.04.2019).
7. Pieraccini M., Miccinesi L., Rojhani N. University RCS Measurements and ISAR Images of Small UAVs [Эл. ресурс]. URL: https://flore.unifi.it/retrieve/handle/2158/1094655/ 271364/RCS measurements and ISAR images of small UAVs.pdf (дата обращения: 19.04.2019).
References
1. Bystrov N.E., Zhukova I.N., Reganov V.M., Chebotarev S.D. Range and Doppler Ambiguity Elimination in Coherent Radar using Quasicontinuous Signals. Journal of Mechanical Engineering Research and Developments. 2017, vol. 40, no.4, pp.37-46.
2. Zhukova I.N., Bystrov N.E., Reganov V.M., Chebotarev S.D. Time-frequency cross-correlation function estimation in radars with common aerial for transmission and reception of quasicontinuous signals. Journal of Engineering and Applied Sciences, 2018, vol.13, special issue 11, pp.88268835.
3. Bystrov N.E., Zhukova I.N. Clutter clipping in radar with quasicontinuous mode of transmission and reception of signals with pseudorandom amplitude- and phase-shift keying. IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1096.2019.012154. doi:10.1088/1742-6596/1096/1/012154.
4. Ritchie М., Fioranelli F., Griffiths H., Torvik B. Micro-drone RCS analysis Available at: https://www.researchgate.net/ publication/285164289_Microdrone_RCS_analysis (assessed 19.04.2019).
5. Ananenkov A.E., Marin D.V., Nuzhdin V.M., Rastorguev V.V., Sokolov P.V. K voprosu o nabliudenii malorazmernykh bespilotnykh letatel'nykh apparatov [On the observation of small unmanned aerial vehicles]. Trudy MAI, iss.91. Available at: http://trudymai.ru/upload/iblock/592/ ananenkov_marin_nuzhdin_rastorguev_sokolov_rus.pdf?lang =ru&issue=91 (assessed 19.04.2019).
6. Chenchen J. Li and HaoLing. Radar Signatures of Small Consumer Drones. Available at: https://users.ece.utexas.edu/ ~ling/SmallDroneI S AR_Li_Ling.pdf (assessed 19.04.2019).
7. Pieraccini M., Miccinesi L., Rojhani N. University RCS Measurements and ISAR Images of Small UAVs. Available at: https://flore.unifi.it/retrieve/handle/2158/1094655/271364/ RCS measurements and ISAR images of small UAVs.pdf (assessed 19.04.2019).
