CC BY
60Radio Engineering and Communications Радиотехника и связь
DOI: 10.17516/1999-494X-0384 УДК 621.396.96
Parametric Radar Method
for Detecting Small Unmanned Aircraft System Using Narrow-Band Quasi-Continuous Signals
Aleksey V. Kogtin, Aleksey N. Fomin, Vitaly V. Loy*, Georgy Y. Shaidurov, Dmitriy A. Charinsev and Vladimir A. Kopilov
Siberian Federal University Krasnoyarsk, Russian Federation
Received 31.12.2021, received in revised form 17.02.2022, accepted 04.03.2022
Abstract. The article discusses a method for detecting small unmanned aircraft system (MBLA) with an effective scattering area (ESR) of less than 0.1 m2, a narrow-band radar using a quasi-continuous signal. A block diagram of a radar system, an energy sensitivity assessment of the method for the case of using a narrow-band radar system with a quasi-continuous radiated signal is proposed. It is shown that a continuous signal radar system can be implemented as a small-sized, compact mobile radar system with a radiation power of 5-10 MW and a detection range of up to 10 km.
Keywords: quasi-continuous signal, the autodyne principle of operation, speed of rotation of the propellers, the beating of the propellers of aircraft system.
Citation: Kogtin, A.V., Fomin, A.N., Loy, V.V., Shaidurov, G.Y., Charinsev, D.A. and Kopilov, V. A. Parametric Radar Method for Detecting Small Unmanned Aircraft System Using Narrow-Band Quasi-Continuous Signals. J. Sib. Fed. Univ. Eng. & Technol., 2022, 15(2), 216-222. DOI: 10.17516/1999-494X-0384
© Siberian Federal University. All rights reserved
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Non Commercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0). Corresponding author E-mail address: lv2009.1974@mail.ru
Параметрический радиолокационный метод обнаружения малых беспилотных летательных аппаратов с использованием узкополосных квазинепрерывных сигналов
А. В. Когтин, А. Н. Фомин, В. В. Лой, Г. Я. Шайдуров, Д. А. Чаринцев, В. А. Копылов
Сибирский федеральный университет Российская Федерация, Красноярск
Аннотация. В статье рассматривается метод обнаружения малых беспилотных летательных аппаратов (МБЛА) с эффективной площадью рассеивания (ЭПР) менее 0,1 м2, узкополосной РЛС с использованием квазинепрерывного сигнала.
Предлагается структурная схема радиолокационной станции, энергетическая оценка чувствительности метода для случая использования узкополосной РЛС с квазинепрерывным излучаемым сигналом. Показано, что РЛС с непрерывным сигналом может быть реализована как малоразмерная, компактная мобильная РЛС с мощностью излучения 5-10 мВт и дальностью обнаружения до 10 км.
Ключевые слова: квазинепрерывный сигнал, автодинный принцип работы, частота вращения винтов, биения винтов летательных аппаратов.
Цитирование: Когтин, А. В. Параметрический радиолокационный метод обнаружения малых беспилотных летательных аппаратов с использованием узкополосных квазинепрерывных сигналов / А. В. Когтин, А. Н. Фомин, В. В. Лой, Г. Я. Шайдуров, Д. А. Чаринцев, В. А. Копылов // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2022, 15(2). С. 216-222. DOI: 10.17516/1999-494Х-0384
Известно, что особенностью тактики использования разведывательных и боевых МБЛА является работа на небольших высотах, порядка 100-2000 м, при скоростях полета до 100 км/ч, в том числе и в режиме зависания, когда скорость летательного аппарата (ЛА) близка к нулю. При этом ЭПР объекта радиолокации находится в пределах менее 0,1 м2, что не дает возможности их обнаружения традиционной импульсной техникой радиолокации, а использование миллиметрового или оптического диапазона связано с существенным влиянием метеоусловий [1-4].
В источниках [5-7] описывается метод обнаружения подобных целей с использованием РЛС автодинного типа и приводятся данные экспериментов в лабораторных условиях, осуществленных в лаборатории радиолокации Сибирского федерального университета в 2015 г. Эти эксперименты показали, что самолетная модель МБЛА четко идентифицируется с дистанции 10-15 м автодинной РЛС на рабочих частотах 2,5 и 10 ГГц путем выделения частоты вращения винтов, как металлических, так и пластмассовых.
На рис. 1 показана структурная схема РЛС с мощностью передатчика до 5 мВт при использовании зеркальной антенны площадью 1 м2 с двумя вибраторами, формирующей две взаимно ортогональные диаграммы направленности. Поскольку применяется автодинный принцип работы, то структура приемника представляется предельно простой. Сигналы с двух
взаимно ортогональных вибраторов антенны (1) поступают непосредственно на смеситель (2) и далее на фильтры низких частот (3). Фильтры низких частот, настроенные каждый на свою частоту F2, пропускают принятые сигналы на фазовые детекторы, где выделяются их огибающие, и далее через аналого-цифровой преобразователь (5) поступают на пороговое устройство (6), где принимается решение о наличии цели или ее отсутствии. С выхода порогового устройства полезный сигнал поступает на микропроцессор, где осуществляется его цифровая обработка, и далее на устройство отображения (7) в виде спектра, как видно на рис. 2, 3.
Как изображено на рис. 2, частота вращения винтов четко проявлялась в виде дискретных линий спектра, а смена винтов модели МБЛА с металлических на пластиковые в целом мало отражалась на их амплитуде.
Дадим энергетическую оценку дальности действия автодинной РЛС в зависимости от диапазона используемых частот.
При мощности излучения передатчика Рпер, ЭПР цели ац = 0,1 м2, эффективной площади антенны 5пр = 5пер = 1 м2 мощность принятого сигнала Рпр на дистанции R для данной рабочей
Рис. 1. Структурная схема узкополосной РЛС с квазинепрерывным излучаемым сигналом Fig. 1. Block diagram of a narrowband radar with a quasi-continuous radiated signal
Рис. 2. Спектры принимаемых сигналов с дисплея (материал винта - диэлектрик) Fig. 2. Spectra of received signals from the display (screw material - dielectric)
- 218 -
Рис. 3. Спектры принимаемых сигналов с дисплея (материал винта - углепластик) Fig. 3. Spectra of received signals from the display (the screw material is carbon fiber)
длины волны X можно оценить через уравнение радиолокации для случая отражения от корпуса МБЛА, которое имеет вид
_ РперСОц^прУе" ПР ~~ (47JT2)2
(1)
где РПер - мощность передатчика; 6 = 4тг—- коэффициент направленности действия передающей антенны; сц - эффективная площадь рассеяния цели; £пр, £пер - эффективные площади приемной и передающей антенн соответственно; г - расстояние до цели; k - коэффициент поглощения радиоволн в среде распространения.
Коэффициент k можно принять равным 1, если считать, что волна распространяется в вакууме без потерь и без интерференции.
Таким образом, принимаемая мощность уменьшается пропорционально 4-й степени расстояния.
Для случая использования сигнала, отраженного от винта МБЛА, как элементарного вибратора с длиной Ь уравнение радиолокации можно получить через оценку плотности потока мощности волны передатчика в районе цели:
(2)
Е2 В
Поскольку = — (—), где П'с = 377 Ом - волновое сопротивление пространства, то отсюда напряженность поля радиоволны в районе винта
Тогда напряженность поля, отраженного от винта, составляет Е2 женного от винта сигнала
(3)
E1L, а мощность отра-
Р-> =
(ВД2
Мощность сигнала на входе приемника такова:
(4)
n _ ^nepUJnp
* 2t? —
PucpG^iip WcL2 —2kr (4tt r2)2 Wv
(5)
Для оценки Р2у можно воспользоваться также формулой (1) с подстановкой ЭПР винта о данной в справочнике [8]. Далее можно оценить потери в мощности сигнала через оценку соотношений (1) и (5):
} ЛАГ Г 2
6)
(7)
При Wc = 377 Ом, Wv = 75 Ом, оц = 0,1 м2, L = 0,2 м получим:
377*0,04
2.
Таким образом, мощность отраженного сигнала от винта в два раза выше, чем от корпуса цели. Дадим численную оценку минимальной требуемой мощности передатчика в автодинном и импульсном режимах на дальности г = 10 км при X = 3*10-2 м, Sa = 1 м2, оц = 0,1 м2. В этом случае
S 1
G = 4ТТ-4 = 4тт ——— X2 9*10"4
= 1,4 * 104
Согласно (1) для автодинного режима без учета потерь в среде Яш(4тгг2)2
^пер Ч"
Сб'дрСТц
(8)
Здесь заданное соотношение сигнал/шум на входе приемника ц = =10 Мощность шумов
Ли
на входе приемника определяется выражением Рш = кТ^Д/, где к = 1,38-10~23 Вт/Гцтрад - постоянная Больцмана; — 300°К - относительная температура шума по Кельвину; Д/"= 1 Гц -полоса пропускания приемника.
После подстановки исходных параметров в выражение (8) получим:
Для импульсного режима при длительности импульса т = 3 * 10-6 с и накоплении в приемнике пачки из к = — = ——= 1.5 * 105 импульсов
nepi
' пер 3*10_6*1,5*105 4.5
Р- * 10 = 4,44 Рг.
Как видим, проигрыш по мощности передающего устройства импульсного режима авто-динному режиму составляет более чем в 4 раза.
На дистанции г = 10 000 м запаздывание радиосигнала по времени составляет
= — = = 0.6 * 10 4 , т.е период повторения импульсов РЛС должен быть не меньше
T = 10 4 c, а длительность импульсов при разрешении по дальности Ar = 100 м должна быть
Дг 100 не менее чем — = -—= 0.3 мкс. с 3 * 10а
Оттуда требуемая полоса пропускания приемника должна составлять Afu = - - = = 3.3 * 106 Гц.
Следовательно, уровень шума возрастет в 10 раз и проигрыш автономному параметрическому режиму возрастет до 40 раз. При этом длительность импульса передатчика должна быть короткой (300 наносекунд), что сложнее реализовать. В этом случае обнаружение цели по частотам вращения винта потребует в приемнике демодуляции по амплитуде пачки импульсов.
Представленная схема построения РЛС и сравнительная энергетическая оценка непрерывного и импульсного режимов радиолокации показывают явные преимущества первой по обнаружению летательных аппаратов с ЭПР менее 0,1 м2.
Список литературы / References
[1] Ананьев А. В., Рыбалко А., Рязанцев Л., Клевцов Р. Применение разведывательно-ударных групп беспилотных летательных аппаратов малого класса по объектам аэродромных участков дорог. Военная мысль, 2020. [Ananiev A. V., Rybalko A., Ryazantsev L., Klevtsov R. The use of reconnaissance and strike groups of unmanned aerial vehicles of a small class on the objects of airfield sections of roads. Military thought, 2020 (in Russin)]
[2] Казарьян Б. И. Беспилотные аппараты: способы применения в составе боевых систем (Техника и вооружение). Военная мысль, 2012, 3, 21-26. [Kazaryan B. I. Unmanned vehicles: methods of application as part of combat systems (Equipment and weapons). Military thought, 2012, 3, 21-26 (in Russian)]
[3] Денисов Б., Жмеренецкий В. Беспилотные летательные аппараты вооруженных сил Великобритании (Военно-воздушные силы). Зарубежное военное обозрение, 2018, 11, 56-66. [Denisov B., Zhmerenetsky V. Unmanned aerial vehicles of the armed forces of Great Britain (Air Force), Foreign military review, 2018, 11, 56-66 (in Russian)]
[4] Сенченко В. Израильские ударные беспилотные летательные аппараты (Военно-воздушные силы). Зарубежное военное обозрение, 2017, 10, 70-71. [Senchenko V. Israeli attack unmanned aerial vehicles (Air Force). Foreign military review, 2017, 10, 70-71 (in Russian)]
[5] Методы обнаружения маловысотных, малоскоростных целей на фоне подстилающей поверхности. Сборник материалов ХХХ1ХНТК ВАВКО, секция № 8, Тверь, 2009, 256-258. [Methods for detecting low-altitude, low-speed targets against the background of the underlying surface. Collection of materials of the ХХХ1ХSTC VAVKO, section No. 8, Tver, 2009, pp. 256-258 (in Russian)]
[6] Бузыкин В. Т., Носков В. Я. Автодины. Области применения и перспективы развития. Радиотехнические системы миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн. Сборник научных трудов. Харьков, 1991, 38-47. [Buzykin V. T., Noskov V. Ya. Autodynes. Areas of application and development prospects. Radio engineering systems of millimeter and submillimeter wave ranges. Collection of scientific papers. Kharkov, 1991, 38-47 (in Russian)]
[7] СФУ RU. Патент 2 622 608 (РФ) от 21.06.17, МПК G 01 S13/52. А. Фомин, Г. Шайдуров, Е. Гарин. Радиолокационный способ обнаружения летательных аппаратов / Заявка 2016127479.
Приоритет 07.07.2016. [SFU RU. Patent 2 622 608 (Russian Federation) dated 06/21/17, IPC G 01 S13/52. A. Fomin, G. Shaidurov, E. Garin. Radar methodfor detecting aircraft / Application 2016127479. Priority 07/07/2016 (in Russian)]
[8] Гершензон Е. М., Туманов Б. Н., Бузыкин В. Т. и др. Общие характеристики и особенности автодинного эффекта в автогенераторах. Радиотехника и электроника, 1982, 27(1), 104-112. [Gershenzon E. M., Tumanov B. N., Buzykin V. T. et al. General characteristics and features of the autodyne effect in self-oscillators. Radio engineering and electronics, 1982, 27(1), 104-112 (in Russian)]
