CC BY
44
УДК 621.317.39
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-68-71
ОБНАРУЖЕНИЕ ДВИЖУЩИХСЯ ВОЗДУШНЫХ ЦЕЛЕЙ БОРТОВЫМИ РЛС
А.Н. Карпов, В.Л. Румянцев, И.А. Ростовцев
Представлена структурная схема РЛС ЛА для обнаружения движущихся воздушных целей. Определено влияние полосы доплеровского фильтра на параметры РЛС. Приведены результаты выбора частоты повторения импульсов РЛС, обеспечивающих обнаружение скоростных целей на фоне внутренних шумов. Оценено применение моноимпульсного обнаружителя для обнаружения целей на фоне подстилающей поверхности с минимальной радиальной скоростью.
Ключевые слова: синтез апертуры антенны, обнаружение, доплеровский фильтр, моноимпульсный обнаружитель, диаграмма направленности антенны, эффективная поверхность отражения.
На современном этапе разработки бортовых многофункциональных РЛС существует тенденция использования наряду с сантиметровым более длинноволнового диапазона волн, имеющего преимущества по обнаружению малозаметных низколетящих воздушных и малоразмерных наземных целей вследствие меньшей мощности помехового сигнала, малого затухания при распространении радиоволн в растительности, более высокой эффективной поверхности отражения (ЭПО) цели и возможности длительного когерентного накопления сигналов. Для повышения эффективности обнаружения движущихся воздушных целей бортовыми РЛС целесообразно использовать РЛС дециметрового диапазона волн (ДМВ) [1-4].
Важным шагом в совершенствовании бортовых РЛС является использование синтезирование апертуры, которое позволило существенно (на несколько порядков) повысить разрешающую способность РЛС и тем самым приблизить информационные возможности радиолокационных средств к оптическим. В связи с изложенным целью статьи является обоснование технических характеристик бортовых радаров с синтезированной апертурой антенны (РСА) дециметрового диапазона волн.
Структурная схема бортового РСА для обнаружения движущихся объектов представлена на рис. 1. Отличие данной схемы от обычной структуры цифровой РЛС с синтезированной апертурой РСА [1] состоит в многоканальности пространственной обработки сигналов и особенностях их частотной обработки в программируемом процессоре сигналов.
Структурная схема включает в себя адаптивную фазированную антенную решётку (АФАР) с М подрешетками, приемники (ПРМ) каждого пространственного канала, фазовые детекторы (ФД), аналого-цифровые преобразователи (АЦП), процессор формирования лучей (ПФЛ), процессор управления подрешетками (ПУП), программируемый процессор сигналов (ППС), систему регистрации и индикации (СИ).
АФАР
М
ПРМ (1) ФД АЦП
ПРМ (2) - ФД -» АЦП
ПРМ (М)
СУЛ *
ФД
АЦП
ПУП
Рис. 1. Структурная схема бортового РСА
Формируемый всеми подрешетками АФАР зондирующий импульсный когерентный сигнал излучается в заданную зону обзора земной поверхности. Прием отраженных сигналов осуществляется всеми подрешетками, элементы которых управляются системой управления лучом (СУЛ) по амплитуде и фазе, как на прием, так и на передачу.
1
2
В приемниках осуществляется высокочастотная обработка сигналов, после ФД и АЦП цифровые сигналы подрешеток поступают в ПФЛ, где из них формируются суммарный, разностные лучи, а также компенсационные лучи для подавления в рабочих лучах сигналов помех. Далее в ППС формируется радиолокационное изображение (РЛИ) заданного участка местности или воздушного пространства, а также обнаружение малоскоростных объектов согласно разработанным алгоритмам с использованием сигналов всех лучей ДНА. Полученная информация поступает для отображения и регистрации в СИ.
Представляет определенный интерес влияние полосы доплеровского фильтра Д^ф (времени когерентного накопления Тн) на параметры РЛС обнаружения. Для этого используем выражение для отношения сигнал/помеха на выходе моноимпульсного обнаружителя:
Я =
Чсф 4%
с
ф X2 Д^ф - Кр2ц
н
'ц Б
Здесь дсф - отношение сигнал/фон на входе приемника; Оф, Оц - ЭПО фона и сигнала соответственно; 1 -длина волны РЛС; Д^ф - полоса доплеровского фильтра; Урц - радиальная скорость объекта обнаружения; Нц - высота полета цели; Б - дальность до цели.
Из анализа рис. 2, где показана зависимость минимальной радиальной скорости цели от полосы доплеровского фильтра, следует, что уменьшение Д^ф от 100 Гц до 10 Гц приводит к снижению Урц т1П с 30 до 0,5 м/с, что подтверждается анализом характеристик обнаружения моноимпульсного обнаружителя в [5, 6].
30
1 50 100 150 200 ДFф, Гц
Рис. 2. Зависимость минимальной радиальной скорости цели от полосы доплеровского фильтра
V
РЦ
Однако применение доплеровского фильтра с полосой 10 Гц требует увеличения времени когерентного накопления до 0.1 с, что, в свою очередь, увеличивает время обзора заданного сектора.
При выборе полосы фильтра необходимо учитывать реальную ширину спектра сигнала (ДРц), отраженного от воздушной цели. Анализ сигналов, отраженных от сложных целей, например самолета, показывает, что в процессе переотражений происходит изменение всех параметров сигнала (шум цели). Изменение параметров радиолокационных сигналов связано с особенностями отражений от отдельных элементов летательного аппарата, которые формируют так называемые «зеркальные» или «блестящие» точки. Количество таких точек может быть достаточно велико, что необходимо учитывать при расчете отраженного сигнала. Точки отражений концентрируются в характерных областях изломов конструкции летательного аппарата.
В реальных условиях полета цели под воздействием случайных воздействий происходит изменение аэродинамических нагрузок, которые, в свою очередь, вызывают случайные отклонения элементов конструкции от исходного положения. Эти отклонения условно подразделяются на траекторные нестабильности с учетом маневра, упругие колебания конструкции самолета и вибрации обшивки. В целом указанные явления приводят к перемещениям точек отражения на цели относительно облучающей РЛС и, как следствие, к флуктуациям амплитуды, поляризации, фазового фронта, длительности импульса и частоты отраженного сигнала. Результаты многочисленных расчетов и экспериментов [3, 4, 5, 6] показывают, что ширина спектра сигналов, отраженных от самолетов в сантиметровом диапазоне волн не превышает 40...50 Гц под всеми ракурсами наблюдения, на ДМВ ширина спектра существенно снижается и по результатам летных исследований макета РЛС ДМВ может уменьшиться до нескольких Гц.
Например, при 1 = 20 см для неманеврирующей цели ширина спектра составляет 2 Гц (истребитель) и 6 Гц (транспортный самолет). При маневре истребителя со среднеквадратичным отклонением курса самолета от прямолинейного в 15 град/с спектр сигнала расширяется в 1,5.3 раза. Маневр транспортного самолета бомбардировщика по курсу с 2 град/с увеличивает ширину спектра в 1,3.2 раза. Таким образом, максимальная ширина спектра сигнала, отраженного от воздушной цели на ДМВ, не превышает 10 Гц.
В результате исследований установлено, что всеракурсный обнаружитель малозаметных целей при использовании дополнительного дециметрового канала, антенная система которого совмещена с антенной РЛС сантиметрового диапазона, обладает следующими характеристиками:
- дальность обнаружения цели с эффективной поверхностью отражения (ЭПО) 3 м2 - 30 км;
69
- зона обзора (2 строки) - 600 кв. град;
- время обзора - 3.. .4 секунды;
- минимальная радиальная скорость цели - 2.5 м/с.
Предполагаемые технические характеристики РЛС ДМВ:
- длина волны - 20.25 см;
- средняя мощность излучения - 200 Вт;
- время накопления - 0,5 с (0,1 с - когерентно);
- длительность импульса - 4 мкс (коэффициент сжатия - 13);
- диаметр антенны - 0,7 м (коэффициент усиления - 15, ширина ДНА - 20° х 20°).
При обнаружении целей со стороны ППС выбранная частота повторения обеспечивает обнаружение скоростных целей на фоне внутренних шумов (ширина спектра отражений от земли не превышает 5 кГц при скорости носителя 300 м/с). При секторе обзора по азимуту ±20° минимальная скорость составляет 25 м/с, при секторе обзора ±40° минимальная скорость увеличивается до 40 мс, как это показано на рис. 2.
Для обнаружения цели со стороны задней полусферы цели предполагается уменьшить частоту повторения до 2,5 .3 кГц, что при X = 20 см обеспечивает однозначную дальность и доплеровскую частоту. Уровень боковых лепестков ДНА (Обл), обеспечивающей обнаружение цели с ЭПО сц на дальности Б, может быть определен из соотношения [3,4]:
Чсф
Рс Оат
(1)
Рф Обл°ф'
где О - коэффициент усиления антенны по основному лепестку ДНА.
В свою очередь, при однозначной дальности ЭПО фона (сф) определяется по формуле:
Стф =ст089- Б -8Д (2)
где 50 - угловая разрешающая способность РЛС, определяемая полосой фильтра (временем когерентного накопления); 5Б - разрешающая способность РЛС по дальности; с0 - удельная ЭПР поверхности.
Из соотношений (1)-(2) следует, что для обнаружения цели с ЭПО 0,1.0,5 м2 на фоне типа «степь», уровень боковых лепестков должен быть -13.-17 дБ, на фоне «лес» -20.-24 дБ соответственно. Уровень боковых лепестков предполагаемой антенны ДМВ на 3.13 дБ выше и обнаружение цели на дальности 25.30 км невозможно.
В качестве мер по снижению уровня отражений от фона и снижению минимальной скорости обнаруживаемой цели в 2 раза (рис. 2, кривая 2), поступающих в приемное устройство по боковым лепесткам ДНА, может служить устройство компенсации, включающее в себя компенсационную антенну с коэффициентом направленного действия (КНД) в области боковых лепестков, близким к уровню боковых лепестков основной антенны, и систему обработки, использующую узкополосную доплеровскую фильтрацию. В качестве компенсационной антенны можно использовать разностную ДНА.
V
РЦ МИН,
м/с
80
1 - доплер. селекция; 2 - компенсация БЛ ДНА; 3 - моноимп. обнаруж. ___ 1
0 15 30 45 60 0А, град. 90
Рис. 3. Зависимость минимальной скорости обнаруживаемой цели по боковым лепесткам ДНА
Применение моноимпульсного обнаружителя обеспечит обнаружение целей на фоне подстилающей поверхности с минимальной радиальной скоростью менее 20 м/с во всем секторе сканирования (рис. 3, кривая 3). Для реализации весового компенсирования помеховых сигналов, отраженных от земной поверхности и принимаемых не только по главному, но и по боковым лепесткам ДНА, необходимо перекрыть узкополосными фильтрами весь диапазон анализируемых доплеровских частот в суммарном и разностном приемных каналах.
Таким образом, применение в РЛС дополнительного дециметрового канала с моноимпульсным обнаружителем обеспечит обнаружение целей со сниженной заметностью (ЭПО цели - 0,1.0,5 м2) и минимальной радиальной скоростью 20 м/с на дальностях до 25 км.
Список литературы
1. Авиационные системы радиовидения / под ред. Г.С. Кондратенкова. М.: Радиотехника, 2015.
648 с.
2. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. М.: Радиотехника, 2005. 368 с.
3. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1992. 304 с.
4. Курбатский С.А., Румянцев В.Л., Карпов А.Н., Ростовцев И.А. Оптимальная статистика обнаружения-оценивания параметров групповой цели // Известия Тульского государственного университета. 2022. Вып. 12. С. 189-192.
5. Акимов П.С., Бакут П.А., Богданович В.А. Теория обнаружения сигналов / под ред. П.А. Бакута. М.: Радио и связь, 1984. 440 с.
6. Амнинов Э.В., Хомяков Д.А., Акиншин Р.Н. Алгоритм обработки сигналов в антенной решетке // Журнал радиоэлектроники. № 4. 2013.
Карпов Александр Николаевич, адъюнкт, paii@mil.ru, Россия, Пенза, Пензенского АИИ,
Румянцев Владимир Львович, д-р техн наук, профессор, заместитель начальника отдела, cdbae@cdbae.ru, Россия, Тула, АО ЦКБА,
Ростовцев Иван Александрович, адъюнкт, paii@mil.ru, Россия, Пенза, Пензенского АИИ DETECTION OF MOVING AERIAL TARGETS ON-BOARD RADARS A.N. Karpov, V.L. Rumyantsev, IA. Rostovtsev
A block diagram of an aircraft radar for detecting moving aerial targets is presented. The influence of the Doppler filter band on the radar parameters is determined. The results of the selection of the frequency of repetition of radar pulses providing detection of high-speed targets against the background of internal noise are presented. The use of a monopulse detector for detecting targets against the background of the underlying surface with a minimum radial velocity is evaluated.
Key words: antenna aperture synthesis, detection, Doppler filter, monopulse detector, antenna radiation pattern, effective reflection surface.
Karpov Alexander Nikolaevich, docent, paii@mil.ru, Russia, Penza, Penza AII,
Rumyantsev Vladimir Lvovich, doctor of technical sciences, professor, deputy head of the department, cdbae@cdbae.ru, Russia, Tula, JSC CCBA,
Rostovtsev Ivan Aleksandrovich, docent, paii@mil.ru, Russia, Penza, Penza AII
УДК 004.942
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-71-77
ВАРИАНТ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМНОЙ ИНЖЕНЕРИИ ПРИ СИНТЕЗЕ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
А.А. Кисляк, М.М. Добрышин, Д.Е. Шугуров, А.А. Горшков
Усложнение технических систем и процессов их производства требует изменения подходов их синтеза. Одним из действенных решений в настоящее время является применение подходов системной инженерии. В статье представлен адаптированный вариант У-модели процесса синтеза сложных технических систем применимый к системам обеспечения информационной безопасности. Определена последовательность действий по оценке качества систем обеспечения информационной безопасности, в том числе верификации и валидации систем.
Ключевые слова: системная инженерия, система обеспечения информационной безопасности, верификация, валидация.
Увеличение объема финансовых расходов на обеспечение информационной безопасности (ИБ) компаний Российской Федерации (рис. 1) [1] и в мире в целом обусловлен постоянно возникающим противоречием между совершенствованием способов и ростом количества компьютерных атак (КА) направленных на элементы сетей связи и способностью системы обеспечения информационной безопасности
71
