Организация когерентно-импульсного режима работы РЛС с обнаружением “на просвет” Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.96

Ф.Н. Ковалев

ОРГАНИЗАЦИЯ КОГЕРЕНТНО-ИМПУЛЬСНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ РЛС С ОБНАРУЖЕНИЕМ "НА ПРОСВЕТ"

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Изложены основные принципы построения когерентно-импульсных радиолокационных систем (РЛС) с обнаружением "на просвет". Предложено использовать импульсный режим для организации просветных радиолокационных комплексов с несколькими передатчиками.

Ключевые слова: теневое излучение, просветная радиолокация, когерентно-импульсная РЛС, передатчик с самовозбуждением, временная селекция, многопозиционная радиолокация.

Введение

В просветных радиолокаторах для обнаружения используется теневое излучение объектов, находящихся в окрестности базы системы - отрезка между приемной и передающей антеннами. Теневое излучение значительно превосходит по мощности поле, рассеянное в обратном направлении (на передатчик), и не зависит от радиопоглощающих покрытий объекта [1]. Это делает просветные РЛС эффективным средством противодействия малозаметным для традиционных радаров целям, в том числе реализованным по технологии Стелс.

Наиболее исследованными являются системы с монохроматическим излучением [2, 3]. В них рассеянный на цели сигнал поступает на вход приемника совместно с мощным прямым сигналом передатчика. Получаемый в точке приема интерференционный сигнал вследствие движения цели становится модулированным по амплитуде с разностной - допле-ровской частотой, и для выделения сигнала доплеровской частоты можно использовать амплитудный детектор. Достоинством такого приемника является его простота и отсутствие дополнительных каналов для привязки по высокой частоте с передатчиком, что особенно важно при большом разнесении приемника и передатчика.

Определение координат и траекторий в бистатической РЛС производится по измерениям направления прихода а (за счет использования направленных свойств приемной антенны) и доплеровской частоты f принимаемого сигнала [2, 4].

В настоящей работе вместо непрерывного рассмотрен импульсный режим излучения при условии использования в приемнике, как и прежде, прямого сигнала передатчика в качестве опорного. Импульсный режим является малоисследованным и может расширить возможности просветной радиолокации, в том числе стать основой для построения многопозиционных просветных систем.

1. Время запаздывания и доплеровская частота

На рис. 1 изображена схема расположения элементов бистатической системы на плоскости с основными обозначениями, используемыми далее. Приемная антенна Пр имеет координаты (0, 0), передающая П - (d, 0); длина базы равна d. Цель находится на расстоянии гп от передатчика, а от приемника - на г ; а - пеленг цели относительно оси Ox; v - скорость цели.

Временной интервал между моментами приема прямого и рассеянного сигналов

Д = Тр-Тпр = (l - d )/ c, (1)

где тр и тпр - запаздывание рассеянного и прямого сигналов относительно зондирующего

© Ковалев Ф.Н., 2012.

сигнала; I = гпр + гп - суммарная дальность до цели; с - скорость распространения радиоволн.

y t к Цель/

гпр \Гп

Пр ^^ Т а V /

0 d "x

Рис. 1. Геометрия бистатической РЛС

Из (1) видно, что постоянному значению дальности l = const соответствует неизменная задержка А = const. На плоскости xOy (рис. 1) линия l = const (и как следствие А = const) является эллипсом с фокусами в пунктах размещения антенн. В качестве примера рис. 2 показано семейство эллипсов, вычисленных для d = 40 км и различных значениях задержки А. Здесь же штрихом изображены дуги окружностей, проходящих через пункты расположения передающей и приемной антенн, для которых остается неизменным значение вписанного угла P = Pmin = const (рис. 1). Их можно взять в качестве условной границы зоны видимости системы, то есть полагать, что наблюдение за целью производится при углах Р > Pmin = 150°. Такое ограничение вполне оправдано для многих типов воздушных объектов и длине волны порядка одного метра [2].

Максимальное расстояние от базы до дуг окружностей (рис. 2)

h =-—. (2)

2tg(Pmin/2)

6

3

y, км 0

- 3

- 6

Рис. 2. Семейство эллипсов, соответствующих разным задержкам А

Производная от (1) по времени определяет значение доплеровской поправки частоты (доплеровской частоты) принимаемого сигнала [5]:

/(,) = _Л*Е« = -!*«, (3)

& X &

где X - рабочая длина волны; f0 = с/X - несущая частота зондирующего сигнала; t - время. Доплеровская поправка отсутствует, если цель перемещается по эллипсу суммарной дальности l = const (рис. 2), включая базу. Напротив, доплеровский сдвиг наиболее значителен при

движении цели ортогонально к эллипсам, т.е. по биссектрисе бистатического угла [5], и достигает максимальной величины для наиболее скоростных ( v = vmax) и удаленных (ß = ßmin ) от базы целей:

/max = ^COsCßminA) • (4)

Например, при vmax = 500 м/с, ßmin = 150° и X = 1 м получим /max « 250 Гц.

Приближение цели к базе приводит к уменьшению времени запаздывания тр и А (1) и согласно (3), сопровождается положительной поправкой ft) > 0. Удаление, наоборот, - ft) < 0. В момент tб пересечения базы доплеровская частота У^б) = 0. Это обстоятельство лежит в основе методов определения координат цели в системах с монохроматическим излучением [4, 6]: в момент tб дальность l(tб ) = d, и интегрирование (3) позволяет получить значение суммарной дальности в текущий момент времени, т.е.

l (t) =

d + Xj / (t )dt,

t t

d -Xj / (t )dt, t > tб.

t < t б,

(5)

Точка пересечения эллипса, соответствующего вычисленной из (5) дальности l = const, и луча, выходящего из точки O (рис. 1) под углом а к оси Ox, определяет местоположение цели.

2. Импульсный режим

Пусть бистатическая просветная РЛС (рис. 1) работает в импульсном режиме излучения с сохранением прежней когерентной связи с передатчиком. Чтобы получить доплеров-ские биения, выполним условие перекрытия во времени прямого и рассеянного сигналов. Как и в непрерывном режиме, мощный прямой радиоимпульс будет выступать в качестве опорного, а выделение сигнала доплеровской частоты легко производить амплитудным детектором в моменты перекрытия прямого и рассеянного импульсов.

Согласно рис. 2, максимальное значение задержки А в системе соответствует эллипсу, касающемуся дуг окружностей в центре базы х = d/ 2, и равно

d

Г 1 ^

А max

С

srn(ßmin/2)

-1

(6)

У

Например, при Pmin = 150° задержка равна Аmax « 4,7 мкс. Выбирая длительность ти зондирующего импульса, равную задержке А max,

^и min А max,

добьемся наложения во времени прямого и рассеянного сигналов во всей зоне видимости, ограниченной значением Pmin.

Увеличение ти по сравнению с (7) удлиняет время перекрытия импульсов для целей, находящихся внутри зоны видимости ( Р > Pmin ). При этом ограничение длительности зондирующего сигнала сверху будет определять схему построения приемника.

Рассмотрим два варианта организации импульсного режима: длинными и короткими импульсами. В первом случае длительность импульса соответствует времени T однократного

t

б

б

измерения частоты принимаемого сигнала (ти = Т). Обработка сигнала здесь аналогична непрерывному режиму, так как интервал ти много больше 1/ /шах, и на нём может укладываться много периодов сигнала доплеровской частоты. Выбор времени ти ограничивает минимальное значение модуля доплеровского сдвига обнаруживаемого сигнала. Например, если ти = 1

^ то |/min| = 1 Ти = 1 ГЦ .

Во втором случае длительность коротких импульсов может быть сопоставима с максимальной задержкой А max:

А max <*и « V /max ,

а период повторения излучения передатчика Тп для исключения слепых скоростей следует выбирать из условия

Тп < V(2/max) .

В просветной РЛС это неравенство выполнить намного проще, чем в однопозицион-ном радиолокаторе, из-за меньшего в (cos(pmin/2)) раз сдвига частоты (4). Подавление пассивных помех в приемнике может осуществляться гребенчатыми фильтрами, выполненными, например, по схеме череспериодного вычитания [7]. В качестве передатчиков могут использоваться простые передатчики с самовозбуждением, например, на основе магнетронного генератора. Несмотря на случайный характер начальной фазы зондирующих импульсов, когерентный режим здесь сохраняется, благодаря использованию излученного импульса в качестве опорного.

3. Многопозиционные РЛС

Импульсный режим в просветной радиолокации может быть обусловлен многими причинами. Например, в распоряжении разработчика имеется импульсный генератор или работающая импульсная совмещенная РЛС с параметрами излучения, соответствующими обозначенным выше условиям. "Подключение" к ней вынесенного на расстояние базы d приемника дает ещё одну - теперь уже бистатическую просветную - систему. С другой стороны, импульсный режим удобен для селекции сигналов в многопозиционной РЛС с несколькими передатчиками.

Как известно, объединение нескольких РЛС в многопозиционную систему предполагает их работу в разных частотных диапазонах [5], с целью предотвращения их нежелательного взаимодействия.

Импульсный режим предопределяет другую организацию работы объединяемых РЛС - передатчики могут работать и на одной частоте, но излучение производится поочередно через интервалы, необходимые для образования временных окон, в течение которых осуществляется прием сигналов от целей, облученных предыдущим передатчиком системы. Основой временного разделения каналов в просветных РЛС являются относительно узкая ширина зоны видимости и, как следствие, небольшое время задержки А рассеянного сигнала относительно прямого (рис. 2).

Рассмотрим возможность временной селекции сигналов на примере простейшей многопозиционной РЛС с несколькими передатчиками (рис. 3). Система состоит из двух идентичных бистатических ячеек, образованных приемником Пр с каждым из двух передатчиков П1 и П2, равноудаленных от приемника.

Чтобы ослабить взаимодействие сигналов ячеек, когда рассеянный на объекте сигнал от одного передатчика приходит в приемник с прямым сигналом другого передатчика, интервал Ти между излучениями передатчиков следует брать не менее величины, определяемой максимальной задержкой А max (6):

Ти ^ ^и ^ Аmax,

а период повторения излучения каждого из передатчиков Тп > 2Ти. Например, в радиолокационной системе с длинными импульсами, когда задержки А несоизмеримо меньше ти, минимальное значение периода Тп « 2т и.

У, км ,

Vr ^ Пр

-1

- 2

Цель

/ л---- l1 = cons t \\ ч \ \\ \ > Ч

К \\ N Ч / ✓ ✓

l II П\/ 3 /

ät L =

П2

L

10

20

х, км

30 40

Рис. 3. Геометрия просветной РЛС с двумя передатчиками

Примем для определенности, что передатчики удалены от начала системы координат на рис. 3 (приемника) на 40 км. Тогда зондирование длинными импульсами ти = 0,5 с с учетом малости времени задержки А << ти (рис. 2) позволяет делать период повторения Тп = 1 с и чередовать работу передатчиков через Ти = 0,5 с.

Для варианта с короткими импульсами возьмем ти = 50 мкс, Ти = 1 мс и Тп = 2 мс . Выбор такой длительности импульсов дает глубокое - более 45 мкс - перекрытие прямого и рассеянного сигналов для целей в зоне видимости Р> 150° (рис. 2). А интервал Ти = 1 мс вполне обеспечивает "развязку" сигналов бистатических ячеек. Действительно, рассеянный объектом сигнал поступает на вход приемника одновременно с прямым сигналом другого передатчика, пройдя путь

li = Тис + dj

340 км,

где ¡1 - суммарная дальность для ячейки с /-м передатчиком (г = 1,2 ); dj - база другой ячейки

( ] = 1,2 ), 7 Ф г. Объект находится далеко за пределами зоны видимости. Мощность рассеянного им сигнала с учетом снижения интенсивности теневого поля существенно меньше (более чем на 4 порядка) мощности рассеянного сигнала в случае нахождения объекта в пределах зоны видимости.

Интервал между излучениями коротких импульсов можно брать и менее Ти = 1 мс, если использовать, например, генераторы с самовозбуждением. Тогда случайный характер начальной фазы зондирующих импульсов обеспечит разрыв когерентной связи между сигналом от цели, облученной одним передатчиком, и прямым сигналом другого передатчика.

Для упрощения конструкции системы на рис. 3 целесообразно ограничиться измерениями доплеровской частоты. В этом случае задача местоопределения может решаться аналогично РЛС с разнесенным приемом [6]: по оценкам частоты /1(¿) в системе с передатчиком П1 и_/2(0 в системе с передатчиком П2 по формулам (5) определяются дальности НО, ¡2(0, соответствующие им эллипсы положения и в итоге местоположение объекта по пересечению эллипсов (рис. 3). При короткоимпульсном зондировании оценивать частоту удобно с помощью быстрого преобразования Фурье. Число отсчетов N и полосы фильтров АР определяют-

2

1

0

ся интервалом T, за который производится оценка частоты. Например, при T = 0,5 с для рассматриваемого примера получим N = T/Tn = 250 и AF = 1/T = 2 Гц.

Заключение

Таким образом, использование радиоимпульсов длительности (7) позволяет создавать просветные когерентные РЛС с излучаемым сигналом в качестве опорного. Выделение до-плеровских биений в приемнике производится аналогично системам с непрерывным излучением с помощью амплитудного детектора в моменты наложения прямого и рассеянного импульсов. Предложено использовать импульсный режим для организации совместной работы просветных радиолокаторов в составе многопозиционных комплексов. Ослабить взаимное влияние сигналов радиолокаторов возможно с помощью передатчиков с самовозбуждением, особенностью которых является случайная начальная фаза зондирующих импульсов.

Библиографический список

1. Уфимцев, П.Я. Черные тела и теневое излучение // Радиотехника и электроника. 1989. Т. 34. № 12. С.2519-2527.

2. Бляхман, А.Б. Бистатическая эффективная площадь рассеяния и обнаружение объектов при радиолокации "на просвет"/ А.Б. Бляхман, И.А. Рунова // Радиотехника и электроника. 2001. Т. 46. № 4. С. 424-432.

3. Chapurskiy, V. SISAR: shadow inverse synthetic aperture radiolocation / V. Chapurskiy, V. Sablin // IEEE International Radar Conference. - Alexandria, USA. 2000. Pp. 322-328.

4. Бляхман, А.Б. Метод определения координат движущихся целей при радиолокации "на просвет"/ А.Б. Бляхман, Ф.Н. Ковалёв, А.Г. Рындык // Радиотехника. 2001. № 1. С. 4-9.

5. Черняк, В.С. Многопозиционная радиолокация / В.С. Черняк. - М.: Радио и связь, 1993. - 416 с.

6. Ковалев, Ф.Н. Определение координат движущихся целей по измерениям доплеровской частоты в радиолокационных системах с обнаружением "на просвет"// Радиотехника и электроника. 2007. Т. 52. № 3. С. 331-339.

7. Теоретические основы радиолокации / Я.Д. Ширмана [и др.]; под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: Сов. Радио, 1970. - 560 с.

Дата поступления в редакцию 20.01.2012

F.N. Kovalev

THE ORGANIZATION OF COHERENT-PULSE OPERATING MODE OF THE FORWARD-SCATTERING RADAR

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.Y. Alexeev

Principles of coherent-pulse forward-scattering radar are considered. The pulse operating mode is offered for the forward-scattering multiradar with several transmitters.

Key words: forward-scattering, forward-scattering radiolocation, coherent-pulse radar, self-excited transmitter, magnetron, time separation, multiradar system.