CC BY
24
ОПТИМАЛЬНАЯ СТРУКТУРА РЛС ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ БПЛА В.А. Коптев, магистр
Московский технический университет связи и информатики (Россия, г. Москва)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-6-1-251-258
Аннотация. В работе рассматриваются разные структуры организации РЛС и из них выводится оптимальная структуру для работы по малоразмерным БПЛА. Анализируются активные, пассивные и полуактивные типы радиолокации, их особенности и условия применения. Уделено внимание выбору частотного диапазона и влиянию метеорологических условий на эффективность РЛС. Для повышения точности и надежности обнаружения предлагается использовать комбинированные тип РЛС объединяющие различные методы радиолокации.
Ключевые слова: БПЛА, обнаружение целей, структура РЛС, активная радиолокация, пассивная радиолокация, полуактивная радиолокация.
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) могут представлять большую угрозу. В раде случаев требуется контролировать их применение, на определённых территориях. Но малоразмерные БПЛА создают сложности для всех существующих средств обнаружения и определения параметров цели. Тем не менее, основным инструментом для решения таких задач остаются радиолокационные системы (РЛС), несмотря на возможные препятствия в работе с БПЛА. Остальные средства лишь дополняют информацию, полученную от РЛС, о состоянии окружающей среды.
В связи с этим возникает необходимость рассмотрения РЛС, специально рассчитанных для работы по малоразмерным целям (то есть в ближней зоне). В зависи-
Положительным свойством пассивной РЛС является скрытность работы. Эффективность пассивной РЛС сильно зависит от состояния электромагнитного поля в
мости от принципа работы и устройства, выделяют три основных типа радиолокации: активная, пассивная и полуактивная. У каждого из них есть свои особенности в структуре, используемых сигналах и способах их обработки. Определим, какой следует применять в РЛС для ближнего обнаружения [1-3].
1. Пассивная радиолокация.
Пассивная радиолокация основана на использовании излучения самих объектов для их обнаружения. Принцип её работы показан на рисунке 1. Этот локатор состоит только из приёмных устройств и устройств обработки сигнала. Он не имеет информации о типе сигнала, который должна посылать цель.
окружающей среде, поэтому требуется высокая чувствительность, так как в пространстве много посторонних источников излучения, и нужно выделить тот, который
Рис. 1. Принцип действия пассивной РЛС
исходит от цели. Источником излучения может быть работающее радиооборудование объекта.
Пассивная РЛС анализирует уровни мощности излучения, форму сигнала и передаваемые целью данные, которые удаётся расшифровать. Для определения координат объекта пассивным РЛС необходимо несколько точек приёма, либо сканировать пространство, в попытках обнаружить неизвестный сигнал. Параметры цели можно определить только косвенными методами. Поэтому этот тип радиолокации имеет специфическую область применения - радиопеленгацию и радиоразведку [1, 4].
2. Полуактивная радиолокация.
В полуактивной радиолокации приёмник и передатчик разнесены в пространстве или передающая часть вообще отсутствует в структуре РЛС. Так как внешние источники сигналов нужны для «подсветки» объектов, роль таких источников могут выполнять различные гражданские радиостанции (например, наземное телевидение). Благодаря отсутствию передатчика
полуактивная радиолокация обладает рядом преимуществ по сравнению с активными РЛС: скрытность работы, отсутствие необходимости выделять отдельную полосу частот для зондирующего сигнала, снижение помех и вредного воздействия на окружающую среду, меньшая стоимость из-за отсутствия дорогостоящего передающего оборудования [5].
Принцип работы полуактивной РЛС изображён на рисунке 2. Параллельно на приём поступают два сигнала: исходный сигнал (прямой сигнал от передатчика) и сигнал, отражённый от объекта (искажённый). Для двух каналов приёма нужны две приёмные антенны: одна направлена в сторону передатчика, а вторая служит для сканирования пространства. Затем вычисляется взаимная двумерная корреляционная функция (функция неопределённости), которая позволяет оценить бистатическую задержку (прохождение сигналов по разным путям) и доплеровское смещение частоты, необходимое для определения скорости [5].
Рис. 2. Принцип действия полуактивной РЛС
Существует ряд разработок полуактивных РЛС, предназначенных для научных и коммерческих задач. Они работают на основе схожих принципов и используют сигналы радиопередающих устройств различных распространённых стандартов связи, таких как FM-радиовещание, аналого-
вое телевидение, DAB, GSM, Wi-Fi, DVB-T и др. [5].
Однако у полуактивной радиолокации также есть недостатки. Сложность обработки сигнала связана с тем, что обеим антеннам приходят лучи прямого сигнала, от которого невозможно избавиться при об-
работке. Это внешний подсвет с ненаправленным излучением, и лучи от него будут переотражаться от разных участков поверхности, поступая на целевой канал приёма и создавать помехи. Для вычисления функции неопределённости сигналов из двух разных каналов необходима очень точная синхронизация системы. У полуактивной радиолокации с внешним подсветом цели нет возможности контролировать передатчик: его местоположение, тип сигнала и режим работы, а также она не может работать при его отключении. От приёмника требуется способность работать с
широким диапазоном возможных сигналов и т.д.
3. Активная радиолокация.
Активная однопозиционная РЛС излучает зондирующий сигнал, который отражается от различных препятствий и неод-нородностей окружающей среды. Затем сигнал поступает на приёмную часть РЛС и обрабатывается. Принцип её действия показан на рисунке 3. Это самый распространённый вид радиолокации для наблюдения объектов на больших расстояниях [1].
Рис. 3. Принцип действия активной радиолокации
Благодаря такой структуре приёмопередающей части РЛС, работающей на одну антенну, можно оценить расстояние до объекта по изменению времени задержки принимаемого сигнала (1). Угловые координаты, такие как угол места и угол азимута, определяются поворотом антенной системы или установкой основного луча диаграммы направленности с помощью электронных методов сканирования, например, фазированных антенных решё-
ток (ФАР). Скорость объекта с достаточной точностью можно определить двумя способами: через изменение дальности и углов между зондированиями (2) или только радиальную составляющую скорости через эффект Доплера (3). Современные РЛС многофункциональны, поэтому без использования дополнительных средств они способны определить все указанные координаты [1].
R1+R2 2 *R
= > R =
т * с
с с
v =R(t2)-R(t1) =AR
ц t2-t1 At
VP = ±
¿*fn C*fr
=±
2* fc
(1) (2) (3)
т
2
2
Где, и й2 - расстояние от цели до передатчика и приёмника. Если они работают на одну антенну, то они равны й и сигнал проходит удвоенное расстояние й; с « 2.998* 108 м/с - скорость распространения радиоволны волны в свободном пространстве; т - обозначается задержка сигнала; 1-Ц - скорость цели, а ^ - оценка радиальной составляющей скорости цели; УД - оценка смещения частоты, а /с - несущая частота сигнала; Я - длинна волны.
Определение угловых координат объектов зависит от ширины луча диаграммы направленности (ДН) антенны, которая представляет собой ширину основного луча на уровне -3 дБ от максимума коэффи-
циента усиления (КУ) антенны. Если цели находятся внутри одного луча ДН на приблизительно одинаковом расстоянии, отражённые от них сигналы будут неразличимы. Чем уже луч, тем более мелкие объекты можно различить между собой. Существует понятие разрешающей способности по угловым координатам, которая определяется как минимальный угол между двумя объектами на одной дальности, различаемыми радиолокатором. Расстояние между такими целями можно вычислить (4). Однако часто используются антенны с широкой ДН для обзора большего сектора пространства [1].
5р = 2Й * sin
(4)
В свою очередь, разрешающая способность по координатам дальности и скорости зависит от формы и длительности используемого зондирующего сигнала. РЛС могут работать в режиме квазинепрерывного излучения или в импульсном режиме, когда РЛС излучает сигнал в виде перио-
дической последовательности импульсов. Характеристика, по которой можно судить о режиме работы, называется скважность (5) - отношение величин периода повторения импульсов к длительности импульса.
Т
<?=г
I- и
(5)
РЛС с непрерывным излучением может использоваться в качестве устройства для подсвета цели в полуактивной радиолокации. А для активного локатора необходим импульсный режим работы. На приёмной стороне активного радиолокатора можно проводить корреляционный анализ передаваемого и принятого сигналов и оценивать время запаздывания и частотное смещение, затем пересчитывать их в дальность и скорость. Но так как часть времени антенная система работает на передачу, она не может принимать отражённые сигналы с определённого расстояния, которое называется «слепой зоной». Для работы с БПЛА, РЛС требуется иная структура [1].
4. Активная радиолокация, с раздельным приёмом и передачей.
Малоразмерные БПЛА имеет малую эффективную площадь рассеивания (ЭПР). Низкая радиолокационная заметность указывает на малую дальность обнаружения целей. Сигналы с невысокой скважностью невозможно использовать для обнаружения таких целей, так как они оказываются в «слепой зоне» радаров. Чтобы решить эту проблему, нужно уменьшить длительность сигнала, но тогда нельзя будет передать ему достаточно энергии. Это также влияет на дальность обнаружения. Необходим другой подход к организации приёма и передачи сигнала, например, объединение структур активной и полуактивной радиолокации. Принцип её работы показан на рисунке 4.
Рис. 4. Принцип действия активной радиолокации, с разделением каналов приёма и передачи
Приёмная и передающая части объединены в одной структуре РЛС, однако их каналы разделены между собой. Также используются две отдельные антенны, которые изолированы друг от друга, но расположены в одном устройстве, их ДН установлены в одном направлении. Таким образом, становится возможным организовать направленный подсвет и направленный приём сигнала. Благодаря этому, можно применять различные виды зондирующих сигналов и обеспечивать возможность РЛС работать на любых дальностях. На приёмной стороне известно, каким сигналом зондируется пространство, что позволяет выбрать подходящую обработку и использовать лучшие методы оценки параметров цели из соединённых видов радиолокации.
Так как приёмник и передатчик находятся в одной структуре РЛС, это решает проблему сложной синхронизации процессов, как это было в полуактивной радиолокации. Если приёмный канал достаточно изолирован от передающего, то взаимное влияние отсутствует. Таким образом, можно получить преимущества обоих видов радиолокации, организовав, такой, отдельный, комбинированный вид.
5. Частотный диапазон РЛС.
Значение ЭПР зависит от длины волны. Чем больше волн укладывается в единице площади, тем больше колебаний зарядов
возникает на объекте и, следовательно, генерируется вторичное излучение. Чтобы увеличить ЭПР, необходимо уменьшить длину волны, то есть, повысить частоту сигнала. Однако ситуация усложняется тем, что выбор рабочего диапазона частот РЛС зависит от ослабления сигнала при прохождении через окружающую среду. Ослабление происходит из-за рассеивания мощности сигнала и его распространения в неоднородной атмосфере, вызванной различными метеорологическими явлениями, такими как облака и осадки. Потери мощности сигнала различаются для разных длин волн, и на малых длинах волн коэффициент потерь увеличивается [1, 6].
Рассматривать свободное пространство распространения радиоволн как однородную среду, без поглощения, с одинаковой относительной диэлектрической проницаемостью, равной единице - общепринятая практика. Однако при этом не учитываются многочисленные факторы, влияющие на электромагнитные волны: наличие паров воды, частиц пыли и гидрометеоров (облаков, дождя, снега). Эти факторы приводят к ослаблению мощности сигнала при распространении. И чем короче длина волны, тем на более мелких частицах возбуждается вторичное излучение и ослабляется зондирующий сигнал.
Различают два типа ослабления: рассеивание и поглощение мощности. Рассеивание сигнала определяется рассеиванием в
пространстве в направлениях, отличных от основного. Это происходит из-за того, что ДН антенны имеет определённую ширину и боковые лепестки. Поглощение возникает из-за перехода части электромагнитной энергии в тепловую энергию. Коэффициент ослабления обычно измеряется в дБ/км [6].
На рисунке 5 представлена характеристика коэффициента ослабления для сухого воздуха и воздуха с парами воды. Из графика видно, что для сухого воздуха значение коэффициента начинает экспоненциально расти в диапазоне длин волн от 1 до 0,4 см, до этого момента остаётся приблизительно стабильным на уровне, не превышающем 0,01 дБ/км [6].
Рис. 5. Зависимость коэффициента ослабления сигнала от длинны волны, для разной среды распространения [6]
Согласно характеристике, коэффициент ослабления в парах воды, увеличивается с уменьшением длины волны до максимального значения на X = 0,45 см, после чего снижается. В этом диапазоне имеется определённое «окно прозрачности». Если рассматривать, суммарный коэффициент ослабления на длине волны 3 см составляет примерно 0,01 дБ/км. Если расстояние до цели равно 10 км, то мощность сигнала снизится на 0,2 дБ [6].
Что даёт основание сделать вывод, что при работе РЛС в таких диапазонах длин волн на малых расстояниях коэффициент ослабления в атмосфере газов можно считать незначительным. Однако при интенсивных осадках ситуация будет меняется, и коэффициент ослабления оценивается с использованием других математических моделей.
Также длина волны оказывает сильное влияние на размеры используемой аппаратуры. Антенна и элементы радиотракта должны быть согласованы с длиной элек-
тромагнитной волны, которая будет через них проходить. В противном случае снизится коэффициент усиления антенны и возникнут незапланированные затухания в тракте.
Наиболее распространённые диапазоны частот в радиолокации -C, X и Ku, согласно классификации IEEE, рисунок 6. Таким образом, они находятся в интервалах 4,0-8,0 ГГц, 8,0-12,0 ГГц и 12,018,0 ГГц. Эти диапазоны обеспечивают хорошее разрешение и точность измерений. При этом радиооборудование остаётся относительно компактным по размеру. Неблагоприятные погодные условия оказывают значительное влияние. Следовательно, РЛС с такими рабочими диапазонами используют для радиолокации на средние и малые дистанции. А на более высоких частотах начинается сильное затухание в атмосфере, поэтому выбор диапазонов C, X и Ku для РЛС считается оптимальным [7-8].
Рис. 6. Плотность распределения различных типов РЛС по рабочим частотам [8]
Выводы. ным причинам, они не подходят для рабо-
РЛС остаются основным инструментом ты по БПЛА. Для повышения эффективно-для обнаружения малоразмерных БПЛА. сти обнаружения рекомендуется использо-Остальные средства обнаружения лишь вать предложенную комбинированные си-дополняют информацию, полученную от стемы активной РЛС с раздельным прямом РЛС, о состоянии окружающей среды. и передачей. Она сочетают преимущества Рассмотрены три основных типа радиоло- различных типов радиолокации. Для кации: активная, пассивная и полуактив- улучшения точности и надежность обна-ная. Каждый из этих типов имеет свои ружения БПЛА, РЛС должно работать на особенности, которые влияют на их при- определённых диапазонах частот. менение для обнаружения БПЛА. По раз-
Библиографический список
1. Сперанский В.С. Радиолокация, радиолокационные системы и устройства. - М.: Брис-М, 2011. - 257 с., 83 илл.
2. Классификация Радиолокационных систем. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.radartutorial.eu/02.basics/rp04.ru.html (дата обращения: 26.01.2024).
3. Классификация радиолокационных систем (2). - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.radartutorial.eu/02.basics/rp10.ru.html (дата обращения: 26.01.2024).
4. Христенко А.В. Обнаружение низколетящих малоразмерных целей методом фоновой радиолокации: дис. канд тех. наук наук: 05.12.14 - «Радиолокация и радионавигация». -Томск, 2019. - 168 с.
5. Воробьев Е.Н. Распознавание воздушных целей в пассивном когерентном локаторе: дис. канд техн наук наук: 2.2.16. - Санкт-Петербург, 2022. - 120 с.
6. Кхыонг Н. В. Оценка влияния метеобразования на распространение радиоволн в X-диапазоне // ТРУДЫ МФТИ. - 2020. - Т. 12, № 3. - С. 94-103.
7. Диапазоны частот и длин волн. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.radartutorial.eu/07.waves/wa04.ru.html (дата обращения: 30.01.2024).
8. Подстригаев А.С., Слободян М.Г., Смоляков А.В., Сидорцов И.А. Анализ плотности распределения РЛС военного и специального назначения в частотном диапазоне // Молодой учёный. - 2016. - №27 (131). - С. 136-138.
OPTIMAL RADAR STRUCTURE FOR UAV DETECTION V.A. Koptev, Master's Degree
Moscow Technical University of Communications and Informatics (Russia, Moscow)
Abstract. The paper discusses various organizational structures of radar systems (RLS) and derives the optimal structure for detecting small UAVs. It analyzes active, passive, and semi-active types of radar, their features, and application conditions. Attention is given to the choice offrequency range and the impact of meteorological conditions on the effectiveness of RLS. To improve detection accuracy and reliability, the use of a combined type of RLS that integrates various radar methods is proposed.
Keywords: UAV, target detection, radar structure, active radar, passive radar, semi-active radar.
