CC BY
0
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЗОНДИРУЮЩЕГО ИМПУЛЬСНОГО СИГНАЛА С ЛЧМ ДЛЯ ЗАДАЧИ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ЦЕЛЕЙ НА ФОНЕ
ПАССИВНЫХ ПОМЕХ
Д.А. Везарко, магистрант
Московский технический университет связи и информатики (Россия, г. Москва)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-6-1-179-182
Аннотация. Актуальной проблемой в области радиолокации является своевременное обнаружение несанкционированных полётов малоразмерных беспилотных летательных аппаратов (МБЛА) типа FPV-дронов и др. С целью предотвращения общественно-опасных действий злоумышленников. С т.з. зрения применения в данной области активных радиолокационных систем (РЛС), необходимо иметь зондирующий сигнал (ЗС), который бы позволил добиться оптимальной разрешающей способности и энергетики. В данной работе производится оптимальный выбор параметров ЗС с внутриимпульсной линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) для задачи обнаружения МБЛА на фоне интенсивных отражений от подстилающей поверхности.
Ключевые слова: малоразмерный беспилотный летательный аппарат, активная радиолокация, зондирующий сигнал, внутриимпульсная линейно-частотная модуляция, разрешающая способность, сжатие сигнала, весовая обработка.
Исходя из анализа, проведённого автором в работе [1], наиболее подходящим типом ЗС для задачи обнаружения цели типа МБЛА, с т. з. обеспечения достаточной энергетики и оптимальной разрешающей способности по дальности, является сложный широкополосный сигнал с внутриимпульсной ЛЧМ.
Требуется подобрать основные параметры рассматриваемого типа сигнала, такие как: длительность, девиация частоты, база сигнала, период следования зондирующих импульсов. Перечисленные параметры должны определить: протяженность «мертвой зоны» РЛС, разрешающую способность, диапазон однозначного измерения дальности, количество элементов разрешения по дальности.
Также, при использовании импульсного ЛЧМ сигнала (особенно при больших значениях базы), принято применять дополнительную весовую обработку (ВО), помимо классической процедуры сжатия. Данная операция применяется с целью минимизации уровня боковых лепестков (УБЛ) функции селекции по дальности, что является весьма полезным аспектом при обнаружении малоразмерных целей
вблизи объектов с большим значением эффективной площади рассеяния (ЭПР).
Расчет основных параметров сигнала
Для сложного сигнала разрешающая способность по дальности 8г определяется эффективной шириной спектра [2]. В случае ЛЧМ сигналов, ширина задается частой девиации Д/ = с/^г. Следовательно, для достижения теоретической разрешающей способности по дальности 8г = 1.5 (аналогичной сверхкороткому импульсу длительностью ти = 10 нс) необходимая частота девиации - Д/ = 100 МГц. Выбор длительности т ЗС определяется требованиями к энергетике сигнала и размерами «мертвой зоны» при использовании одной антенны для приема и передачи в РЛС. Учитывая эти факторы, оптимальная длительность ЗС была выбрана: ти = 2.5 мкс. При такой длительности «мертвая зона» РЛС составит 375 м, а энергетический выигрыш по сравнению с аналогичным простым сигналом с аналогичным разрешением по дальности составляет приблизительно 24 дБ (база сигнала при этом В = тиД/ = 250). Период повторения зондирующих импульсов устанавливается на основе условия одно-
значного измерения дальности йодн - в современных активных РЛС, дистанция обнаружения целей типа МБЛА не превышает нескольких километров, поэтому диапазона в 7.5 км будет достаточно для однозначного определения дальности. Таким образом, период повторения зондирующих
составит
т _ 2^одн/ _
'п — /с—
импульсов 50 мкс.
Формирование сигнала
Существует множество способов генерации ЛЧМ-сигналов, которые делятся на два основных класса: аналоговые и цифровые. Аналоговые методы формирования имеют значительные ограничения, такие как выраженные эффекты нелинейности и очень большое время реакции. Сегодня цифровые методы генерации сигналов все чаще вытесняют аналоговые благодаря высокой гибкости настройки параметров сигнала.
Исходя из анализа ряда работ [3, 4, 5] принято решение использовать метод
цифрового рекурсивного формирователя отсчетов ЛЧМ-сигнала [3].
Этот формирователь отличается минимальными требованиями к памяти и максимальной скоростью настройки параметров ЛЧМ-сигнала. Сигнал, дискретизиро-ванный с заданной частотой, полностью описывается всего четырьмя вещественными параметрами.
Рисунки 1-2 демонстрируют ортогональные составляющие (синфазная и квадратурная) ЛЧМ-сигнала, полученные на выходе цифрового генератора, синтезированного на основе алгоритма [3], а также вид спектрограммы сигнала, полученной в результате применения процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ). Сигнал генерируется сразу на промежуточной частоте (ПЧ) 100 МГц, что позволяет избежать многих негативных эффектов, связанных с нелинейностью аналоговых трактов. Моделирование формирователя выполнено с использованием программной среды МЛТЬЛВ
Рис. 1. Ортогональные составляющие ЛЧМ-сигнала: а) синфазная составляющая;
б) квадратурная составляющая.
о -5 -10 •15
LA
Я
•2« •>5 -30 35
-40
Рис. 2
1 l\l 1 < Ii
/. &f = 100 МГц .1
г 1
/ /
\
/ 1 \ \
/ / f \
/ \ \ \
/ / N V \
I » 40 5® ЙВ Я) 100 120 140 15t ЫО ISO 200
/ МГц
. Спектрограмма ЛЧМ-сигнала на выходе формирователя
Сжатие сигнала и весовая обработка
При использовании импульсных ЛЧМ сигналов часто приходят к совместному применению согласованной фильтрации (СФ) и ВО. Для уменьшения УБЛ во временной области используются различные весовые функции. Одной из таких функций, обеспечивающей достаточно низкий УБЛ, является весовая функция Хэмминга с параметром к = 0.08 [6, 7]. На рисунке 3 показан отклик системы обработки сигнала (СФ и ВО).
Применение ВО позволяет теоретически снизить УБЛ до -42.3 дБ, что делает их уровень почти на 30 дБ ниже по сравнению с классической процедурой сжатия сигнала. При этом центральный лепесток расширяется приблизительно на 40%. Следовательно, ухудшается и разрешающая способность по дальности в 1.4 раза и будет составлять 2.1 м (вместо 1.5 м для сигнала без ВО).
Рис. 3. Отклик системы обработки ЛЧМ сигнала без использования ВО и с использованием ВО
Недостатками ВО являются потери тивности целесообразно использовать энергии сигнала на обработку (около ЛЧМ-сигнал с длительностью импульса 1.4 дБ) и расширение центрального ле- 2.5 мкс и девиацией частоты 100 МГц. пестка «сжатого» сигнала (порядка 1.4 ра- Применение весовой обработки позволяет за). Однако подавление уровня боковых значительно снизить УБЛ отклика систе-лепестков до -42.3 дБ является значитель- мы обработки (до -42.3 дБ), что должно ным достижением. значительно улучшить качество обнару-
Заключение жения целей. Методом синтеза ЗС пред-
В работе произведен выбор и расчет ос- ложено выбрать цифровой рекурсивный новных параметров зондирующего им- формирователь. Таким образом, предло-пульсного сигнала с ЛЧМ для задачи об- женные параметры сигнала и методы фор-наружения МБЛА на фоне пассивных по- мирования и обработки обеспечивают вы-мех. Было установлено, что для достиже- сокую эффективность радиолокационных ния оптимальной разрешающей способно- систем в условиях сложной помеховой об-сти по дальности и энергетической эффек- становки.
Библиографический список
1. Везарко, Д.А. Исследование радиолокационных зондирующих сигналов для задачи обнаружения малоразмерных и низкоскоростных целей / Д.А. Везарко // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. - 2024. - № 4-1(91). - С. 170-175.
2. Денисов В.П. Радиотехнические системы. Раздел 1: учеб. пособие / В.П. Денисов, Б.П. Дудко. - Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2005. -156 с.
3. Лесников В.А., Частиков А.В., Гарш Д.Г. Цифровой рекурсивный формирователь отсчетов сигнала с линейной частотной модуляцией // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). - 2016. - № 1. - С. 224-229;
4. Булыгин М.Л., Муллов К.Д. Формирователь зондирующего сигнала для радиолокатора с синтезированной апертурой // Труды МАИ. - 2015. - № 80. - С. 1-16.
5. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.mivlgu.ru/conf/zvorykin2010/works/PDF/Section14.pdf (дата обращения: 15.05.2024).
6. Трухачев А.А. Радиолокационные сигналы и их применения. - М.: Воениздат, 2005. -320 с.
7. Щербаков А.В., Щербаков В.С. Особенности весовой обработки дискретных сигналов во временной области // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. - 2018. -№ 10. - Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/oct18/16/text.pdf.
JUSTIFICATION OF PARAMETERS FOR A CHIRPED PULSE SIGNAL FOR THE DETECTION OF SMALL TARGETS AGAINST PASSIVE CLUTTER
D.A. Vezarko, Graduate Student
Moscow Technical University of Communications and Informatics (Russia, Moscow)
Abstract. A pressing issue in the field of radar is the timely detection of unauthorized flights of small unmanned aerial vehicles (UAVs), such as FPV drones, to prevent socially dangerous actions by malicious actors. From the perspective of active radar systems (ARS), it is necessary to have a probing signal (PS) that provides optimal resolution and energy efficiency. This study focuses on the optimal selection of PS parameters with intra-pulse linear frequency modulation (chirp) for detecting UAVs against the background of intense reflections from the underlying surface.
Keywords: small unmanned aerial vehicle, active radar, probing signal, intra-pulse linear frequency modulation, resolution, signal compression, weighting processing.
