CC BY
231
2006
Доклады БГУИР
октябрь-декабрь
№ 4 (16)
УДК 621.396.96
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРУЮЩЕГО СИГНАЛА
С Р. ГЕЙСТЕР, А.В. КУРЕНЕВ
Военная академия Республики Беларусь ул. Гуртьева, 1, Минск, 220057, Беларусь
Поступила в редакцию 27 октября 2006
Описывается общий подход к выбору типа зондирующего сигнала в радиолокационной системе. Представляется оригинальная методика определения параметров зондирующего сигнала, которая учитывает тактические и технические требования, предъявляемые к радиолокационной системе и ее основным устройствам.
Ключевые слова: радиолокационная система, зондирующий сигнал.
Введение
Основной проблемой при выборе типа и определении параметров зондирующего сигнала (ЗС) является наличие сложных взаимосвязей этих компонентов между собой. Успешным является разделение процесса решения этой проблемы на этапы, каждый из которых направлен на определение тех или иных параметров ЗС: этап 1 — выбор типа ЗС и определение длины волны; этап 2 — определение параметров ЗС; этап 3 — определение алгоритмов междупериод-ного управления параметрами ЗС; этап 4 — определение алгоритмов межпачечного управления параметрами ЗС. В данной работе рассматривается методика решения задачи этапа 2, обеспечивающая определение основных параметров одиночных ЗС.
Общая характеристика методики определения параметров зондирующего сигнала
Задача определения параметров одиночных ЗС, к которым относятся длительность импульса Г0, закон модуляции, ширина спектра А/0, импульсная (пиковая) мощность Р0 и время наблюдения объекта Т^ [1], определяемое параметрами обзора по угловым координатам и диаграммой направленности антенны (ДНА), является сравнительно сложной и не всегда имеет однозначное решение. В качестве примера рассмотрим вначале один из элементов методики — выбор ширины спектра закона модуляции А/0 одиночного ЗС. Эта величина может быть определена следующим образом:
в задаче обнаружения, исходя из требования к разрешающей способности по дальности Агг=с/(2А/0), где с — скорость распространения электромагнитных волн;
в задаче измерения, исходя из требований к ошибкам измерения дальности, которые определяются разрешающей способностью по дальности Аг1г;
в задаче распознавания по дальномерному радиолокационному портрету (РЛП), исходя из требования к разрешающей способности Аг1г, которое определяется размерами распознаваемых объектов.
Кроме того, при определении величины дополнительно А/0 учитываются:
требования по помехозащищенности с учетом того, что коэффициент сжатия сигнала при внутрипериодной обработке определяется базой ЗС, т.е. Bzs = T0Af0;
требования обеспечения скрытности работы радиолокационной системы (РЛС).
Этот короткий пример показывает, что наиболее целесообразно определять ширину спектра А/0 для каждой их трех задач радиолокации отдельно по мере их решения в РЛС, учитывая при этом требования по помехозащищенности.
При решении задачи обзора пространства превалирующим фактором является необходимость снижения числа элементов разрешения по дальности, так как именно число элементов разрешения mr = robz / Artr существенно влияет на характеристики обнаружения, где robz —
интервал обзора по дальности, значение которого связано с интервалом однозначного измерения дальности. Поэтому на практике при решении задачи обзора ширина спектра ЗС выбирается исходя из того, что разрешающая способность должна удовлетворять условию Artr > (3 - 6)Lt max , где максимальный радиальный размер объектов Lt max = 50 м . Соответственно ширина спектра закона модуляции ЗС при обзоре выбирается из условия А/0 <(с/(6-12)Ltmax).
При решении задачи следящего измерения дальности стремление к повышению точности измерения путем уменьшения разрешающей способности Artr является разумным до границы, соответствующей радиальному размеру сопровождаемого объекта Lt. Если же разрешающая способность по дальности Ar < Lt, то на измерение дальности начинают оказывать
существенное влияние так называемые "шумы" дальности [4], связанные со случайными перемещениями энергетического центра отраженного сигнала по радиальной протяженности объекта. Если класс сопровождаемого объекта неизвестен, то можно использовать среднее значение
радиальных размеров Lt и соответственно неравенство вида A f0 < (с / 2Lt ) .
При решении задачи распознавания с использованием дальномерного РЛП, характеризующего распределение эффективной отражающей поверхности (ЭОП) объекта вдоль его радиальной протяженности, необходимо обеспечить сверхразрешение объекта по радиальной дальности путем увеличения ширины спектра ЗС. Однако и здесь существуют разумные границы, обусловленные снижением отношения сигнал/помеха в элементе разрешения из-за уменьшения ЭОП фрагментов объекта, попадающих в элементы разрешения. Поэтому в этой задаче целесообразно выбирать ширину спектра исходя из минимальных размеров объектов Lt min в соответствии с выражением А /0 = с /(2 Lt min).
В заключение по вопросу определения ширины спектра ЗС необходимо отметить, что увеличение этой ширины влечет за собой необходимость использования сложных сигналов, имеющих боковые лепестки автокорреляционной функции закона модуляции. Уровень этих боковых лепестков влияет на потенциально достижимое значение эффективности когерентной компенсации мешающих отражений от мешающих отражателей, скорость перемещения которых по радиальной дальности изменяется в пределах величины, соответствующей удвоенной длительности импульса. Такими отражателями на практике являются объемно распределенные облака дипольных отражателей и гидрометеоров, а также водная поверхность. С другой стороны, защищенность РЛС от активных помех при использовании сложных законов модуляции улучшается в результате повышения скрытности работы РЛС. Следовательно, использование сложных законов модуляции ЗС предполагает анализ наличия мешающих отражений и активных помех в тех или иных угловых секторах зоны обзора и адаптивное к помеховой обстановке управление параметрами закона модуляции ЗС.
Важно отметить, что при выборе параметров ЗС необходимо учитывать основные тактико-технические требования к РЛС:
необходимо обеспечить обнаружение цели с заданной ЭОП на требуемой дальности г1г с вероятностью правильного обнаружения В не менее требуемой В г при вероятности ложных тревог (числе ложных тревог) в зоне обзора за один период обзора ¥т не более требуемой
необходимо обеспечить требуемые разрешающие способности по дальности Агг = с/(2А/0 ) (определяется величиной А/0), по угловым координатам А0Гг = Х/Ьа// (определяется эффективными размерами La/// антенной системы и длиной волны X), по скорости
АУГг = X/(2Ткп) (определяется временем когерентного накопления Ткп или наблюдения Т*, а также длиной волны);
необходимо выбрать параметры ЗС таким образом, чтобы импульсная мощность ЗС Р0 удовлетворяла условию Р0 < Р05, где Р05 — ограничительное значение импульсной мощности.
Этапы методики определения параметров зондирующего сигнала
С учетом сформулированных замечаний обобщенная методика выбора параметров одиночного ЗС предусматривает следующие этапы.
Этап 1. Осуществляется выбор типа ЗС (импульсный, квазинепрерывный или непрерывный), определение основной частоты повторения Ег 0 (основного периода повторения Тг 0) и длины волны по методике, разработанной в [2,3].
Этап 2. С использованием значений частоты повторения Ег0, требуемой дальности обнаружения и скоростей целей по методике, разработанной в [2,3], определяются минимально необходимое для режима обнаружения число / и значения дополнительных частот повторе-
ния Рг1, / = 1,/ , или дополнительных периодов повторения ЗС для устранения "слепых" скоростей и (или) "слепых" дальностей. При необходимости на этом этапе определяются значения /*м частот повторения для устранения нониусным методом неоднозначности в измерении радиальной дальности или скорости.
Этап 3. Определяется значение требуемой минимальной ширины спектра закона модуляции одиночного зондирующего сигнала А/0тт = с /(2Атг), где — требуемая разрешающая способность по дальности, зависящая от решаемой задачи (обнаружение, распознавание, измерение).
Этап 4. Осуществляется оценка времени наблюдения цели Т* . Знание времени наблюдения необходимо для определения времени контакта с целью и соотношения интервалов когерентного и некогерентного накопления, причем в условиях помех целесообразно осуществлять когерентное накопление в течение всего интервала наблюдения. Наиболее сложным является оценивание времени наблюдения Т* в режиме обзора. Обозначив требуемые размеры сектора обзора по угловым координатам как воЬг, воЬг, а требуемое время обзора как Тоьг, можно получить следующие варианты оценивания времени наблюдения: при последовательном обзоре по обеим угловым координатам Т* = ТоЬг /(твтр/рр) , а при одновременном обзоре по углу места и
последовательном обзоре по азимуту Т* = ТоЬг /(тв/рр), где тв = воЫ / Ав, тр = воЫ / Ав - число элементов разрешения по азимуту и углу места в зоне обзора; Ав, Ар - разрешающие способности по углу места и азимуту, которые задаются в требованиях к РЛС или определяются исходя из требуемых ошибок измерения.
Необходимо отметить, что выбор способа обзора пространства по угловым координатам и соответственно времени наблюдения является итеративным процессом, и после определения структур обнаружителя и измерителей РЛС время Т* может уточняться.
Этап 5. Определяется максимальное число ттах элементов разрешения в зоне обзора и требуемое значение вероятности ложных тревог К в одном элементе разрешения за один цикл
обзора. В общем случае ттах = тгтв4тгтх а К,г = Кт ,г / ^тах' где ™г = Го<1п / Л,г = СТг0 / 2Л,г —
число просматриваемых элементов разрешения в интервале однозначного измерения дальности гоап ; тутах = Уг ойп / ЛКтт = ГгX - оценка максимального числа просматриваемых элементов
разрешения по скорости в интервале однозначного измерения скорости Уг ос1п = 0,5Кг 0А при
минимальном значении разрешения по скорости ЛУтт = Кг 0А /(2Т*).
Этап 6. Осуществляется расчет требуемого отношения сигнал/помеха р,г = р(П,г, К)
на выходе устройства когерентной обработки принятого сигнала с учетом выбранной структуры обнаружителя, при котором обеспечиваются требуемые вероятности правильного обнаружения В = О г и ложных тревог Кт = РтГ в зоне обзора, а также потенциальной эффективности когерентного накопления и* = Кг0Т* = (при когерентном накоплении на всем интервале наблюдения) или эффективности некогерентного накопления и*^ = Кг0ТН = Ьш (при некогерентном накоплении на всем интервале наблюдения).
Этап 7. Осуществляется предварительное определение суммарного коэффициента потерь КрЕ полезного сигнала [2] в приемопередающем тракте и на трассе распространения.
Этап 8. Осуществляется определение требуемой энергии временной структуры одиночного ЗС ЭГ = Р0Т0 в соответствии с выражением
(
ЭГ =р( п , К) к;4(И, и, г) к
р х
N
N. +
.2 ^ то
о~т„ |ЛКл (4п) г
V
и
акр
4/0»
3-4 Г
I
Кг0 А, а,
= р( в,, к ) к;4(Иа, и,, г,) к
р х
(К о-то + 1) N0 +-
N
а Ьок
и
ЛК (4п)3 г,
акр у
Кг 0 0,г0г*Аа,
а также требуемой энергии пространственно-временной структуры одиночного ЗС
Эр = РТСт о •
(
ЭГ =р( Ог, К) КГ (Иа, и,, г,) Кр х
(
N0 +-
Nа
Ьок
+ -
а„
ЛКц (4п)3 г,4 =
= р( в,г, Кг) р;\иа, и,, Г,) к
р х
и акр ЛУ0и1 у
(Ко-то + 1)N0 + " ' '
Кг0 А
N ьок |ЛКц (4п)3 г,
и
акр у
где Ко-то = ато /(Л/0и^0) — относительный уровень спектральной плотности остатков мешающих отражений после когерентной компенсации, нормированных к спектральной плотности собственных шумов приемного устройства N0 (в первом приближении Ко-то = 2);
К (Иа, И(, г) — интерференционный множитель земли; NаЬок, иакр — спектральная плотность и эффективность пространственной когерентной компенсации активных шумовых помех, принимаемых по боковым лепесткам диаграммы направленности РЛС; а]^, и — мощность и эффективность когерентной компенсации мешающих отражений; Ог, - коэффициенты усиления передающей и приемной антенн; ЛК^ - ширина зубца амплитудно-частотной характеристики когерентного накопителя [1].
Этап 9. Осуществляется определение требуемой средней мощности зондирующего сигнала. При этом целесообразно рассматривать два варианта: требуемую среднюю мощность временной структуры ЗС Р0, использование которой предполагает знание параметров антенны, а также требуемую среднюю мощность пространственно-временной структуры ЗС Ррг = Р00Т00ОгОгб, / Тг0, использование которой позволяет перераспределять энергопотенциал
между радиопередающим устройством (РПУ) и антенной РЛС.
Требуемая средняя мощность временной структуры ЗС рассчитывается как Р5 г = / Тг0. Величина Р5 г используется для выбора оконечных приборов РПУ и должна
быть меньше максимальной средней мощности Р5 тах для предполагаемых к использованию
выходных приборов РПУ. Если условие Р5 г < Р5 тах не выполняется, то для снижения Р5 г
можно предпринять снижение уровней боковых лепестков антенн, увеличение времени наблюдения путем изменения способа обзора, повышение эффективности когерентной компенсации мешающих отражений, если их остатки превышают требуемый уровень, или выбор других усилительных приборов с большим значением Р5 тах .
Этап 10. На данном этапе осуществляется определение параметров одиночного зондирующего сигнала — длительности Т0 , импульсной мощности Р0 и закона внутриимпульсной
модуляции. Импульсная мощность Р0 находится из соотношения Р0 = Э'г / Т0.
Выбор длительности Т0 одиночного ЗС осуществляется с учетом того, что ширина его спектра должна удовлетворять условию А/0 > с /(2Агг ) . Если к РЛС не предъявляются специальные требования, то проверяется возможность использования простых прямоугольных радиоимпульсов (ППРИ). При этом, исходя из соотношения Т0 = 1/ А_/0т1П , выбирается длительность ППРИ Т0, а затем определяется его импульсная мощность Р0 = Э'г / Т0. Значение Р0 сопоставляется с максимальной пиковой мощностью Р0тах предполагаемых для использования выходных усилительных (генераторных) приборов. Если неравенство Р0 < Р0 тах выполняется, то использование ППРИ возможно. В случае невыполнения этого неравенства, длительность одиночного импульса определяется как Т0 = Э'г / Р0 тах , а затем осуществляется выбор закона фазочастотной внутриимпульсной модуляции.
Заключение
Представленная методика позволяет обеспечить решение сравнительно сложной задачи выбора параметров зондирующего сигнала для радиолокаторов различного назначения. Методика позволяет учесть основные тактические и технические требования к различным радиолокаторам и разрешить противоречия, возникающие в ходе учета этих требований для режимов обзора, измерения координат и распознавания объектов наблюдения.
TECHNIQUE OF DEFINING THE PARAMETERS OF A RADAR PROBING SIGNAL
SR. GEYSTER, A.V. KURENEV Abstract
The general approach to the choice of a probing signal in radar system is described. A new technique of defining the parameters of a probing signal which takes into account tactical and technical requirements to radar system and its basic devices is represented.
Литература
1. Охрименко А.Е. Основы радиолокации и радиоэлектронная борьба. М., 1983, Ч. 1.
2. Гейстер С.Р. Системное проектирование и расчет радиолокаторов противовоздушной обороны. Минск., 1999. Ч.1.
3. Гейстер С.Р. Адаптивное обнаружение-распознавание с селекцией помех по спектральным портретам. Минск., 2000.
4. СколникМ. Справочник по радиолокации. М., 1976. Т. 1.
