CC BY
31Емельянов Е.С.
к.т.н., Военно учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж
Проведен качественный анализ потенциальной дальности действия перспективных многоканальных многочастотных РЛС с совместной апостериорной обработкой результатов измерений (САОРИ). Показана возможность получения высокой разрешающей способности по дальности и скорости при обеспечении большой дальности действия РЛС САОРОИ.
Ключевые слова: потенциальная дальность; многочастотные РЛС; апостериорная обработка; результаты измерений; радиолокационная технология.
САОРИ - радиолокационная технология, основанная на получении и совместной апостериорной обработке результатов измерений. Основное достоинство применения технологии САОРИ при создании РЛС состоит в упрощении радиотехнической части и повышении быстродействия без ухудшения основных технических характеристик РЛС [1]. Это открывает перспективы создания нового типа многоканальных (по пространству, частоте и времени) РЛС. Одним из вариантов реализации РЛС такого типа является многоканальная многочастотная РЛС САОРИ.
Особенность многочастотной РЛС САОРИ заключается в том, что зондирование пространства осуществляется посредством многочастотной антенной решетки (АР) [2]. Каждый элемент АР излучает и принимает узкополосный сигналы на своей фиксированной частоте. Причем частоты выбираются таким образом, чтобы обеспечить многоканальность измерений при одновременном зондировании пространства всеми элементами АР. Предполагается, что диаграмма направленности элемента антенной решетки является практически изотропной. Всвязи с ортогональностью (независимостью) зондирующих сигналов (невозможностью их суммирования в пространстве) и изотропностью элементов АР возникает вопрос о дальности действия РЛС САОРИ.
Целью настоящей статьи является качественный анализ дальности действия многоканальных многочастотных РЛС САОРИ в сравнении с традиционными РЛС с фазированными антенными решетками (ФАР) при условии обеспечения высокой разрешающей способности по дальности и скорости.
Одним из противоречий традиционной радиолокации является то, что с использованием простых1 узкополосных зондирующих сигналов при одноканальном передающем тракте нельзя получить одновременно высокую разрешающую способность по дальности и большую дальность действия Ятях РЛС при ограничении пиковой мощности излучения передатчика Рпрд [3-5]. Известно, что максимальная дальность действия РЛС - Ятах при заданной чувствительности приёмника, эффективных площадях цели, передающей и приёмной антенн пропорциональна [5]:
1 Под простым сигналом имеется ввиду сигнал, у которого произведение эффективной длительности Тэ на эффективную ширину спектра Д/Э (база сигнала), равно единице.
Аннотация
Введение
Основная часть
(1)
15
2.-2.014
где Рпрд - мощность передатчика в импульсе, Ти - длительность импульса, Е = РПРД ■ ти - энергия излучаемого импульса. Согласно выражению (1), для увеличения Ятах надо увеличивать энергию импульса, что может быть выполнено либо повышением мощности излучаемого импульса Рпрд при сохранении его длительности Ти, либо увеличением длительности импульса при сохранении его мощности. Однако резервы увеличения мощности Рпрд у РЛС с одноканальным передающим трактом уже исчерпаны, так как при больших мощностях наступает пробой волноводов, а сам передатчик становится источником рентгеновского излучения [5]. Поэтому для повышения дальности действия РЛС - Ятах остается только один путь - увеличение длительности Ти. В традиционной радиолокации с использованием простых сигналов это приводит к снижению разрешающей способности по дальности, т. е. увеличивается АЯ = с -ти /2. Использование сложных сигналов (с внутриимпульсной модуляцией или фазо-манипулированных) хотя и позволяет решить проблемы, однако приводит к существенному усложнению радиотехнической части РЛС.
Для простых сигналов это противоречие может быть преодолено при использовании в качестве передающей антенны ФАР. Суммируясь в пространстве, эти сигналы создают короткий импульс большой мощности Рпрд, который даёт хорошую разрешающую способность по дальности и ввиду большой энергии обеспечивает увеличение дальности действия РЛС - Ятах. Однако такой метод многоканального излучения простых сигналов не может решить другого известного противоречия между разрешающей способностью по дальности и скорости [3].
В тоже время, многочастотная РЛС САОРИ позволяет преодолеть указанные выше противоречия при многоканальном зондировании пространства набором простых узкополосных сигналов разной частоты. В этом случае, увеличение Ти для каждого отдельно взятого зондирующего сигнала может быть использовано для увеличения энергия излучаемого импульса. Проведем сравнительный анализ дальности действия РЛС САОРИ и РЛС с ФАР.
В существующих РЛС с ФАР при одновременном излучении N (Ы- число элементов решетки) когерентных сигналов длительностью Ти формируется излучение в направлении главного лепестка диаграммы направленности с плотностью потока мощности Р(ФАР) = РЫ2, где Р - плотность потока мощности, создаваемая отдельным элементом ФАР. Следует отметить, что при этом во всех других направлениях рабочая зона РЛС не облучается и радиолокационная информация о находящихся там объектах недоступна. Для полного обзора рабочей зоны необходимо последовательное формирование направленного излучения в М направлениях (М - число углов зондирования рабочей зоны). Поэтому суммарная затрачиваемая мощность, необходимая для полного обзора рабочей зоны Рсум(ФАР) = М(РЫ2). Время, которое необходимо затратить на обзор всей рабочей зоны РЛС составляет МТз, где Тз = 2Ятах(ФАР) / с - время зондирования пространства в одном направлении, а максимальная даль-
'V(PN^ )
ность действия:
Я
П'твх(ФАР) '
В РЛС САОРИ зондирование пространства осуществляется изотропным (ненаправленным) излучением. В этом случае при том же времени зондирования Тз зондируется вся рабочая зона сигналом с плотностью потока мощности равной РЫ. Существует потенциальная возможность увеличения ти в М раз, без проигрыша в быстродействии традиционным РЛС с ФАР. Тогда мощность зондирования пространства увеличится и составит РСАОРИ = (РЫ)М. Учитывая, что в современных РЛС М ~ N [6], можно записать рсаори = РЫ2 = Рсум(САОРИ) . Тогда:
Ятах(САОРИ) ~ л1(РЫ)МТи ~ Ятах(ФАР)
Как сказано выше, увеличение ти узкополосного сигнала приводит к снижению разрешающей способности по дальности. Однако для многочастотной РЛС САОРИ при увеличении Ти сохраняется высокое разрешение по дальности и скорости. Это можно показать на примере локации объекта движущегося с постоянной скоростью.
Существенной особенностью локации нестационарных объектов многочастотной РЛС САОРИ, в сравнении с алгоритмом локации неподвижных объектов [2], является зависимость сигнальной функ-
ции от двух параметров - дальность объекта го (начальной фазы () и скорости объекта У0. (частоты Доплера ш(У0)). Применительно к рассматриваемому случаю оценки двух параметров, используя результаты, полученные в [7,8] сигнальная функция РЛС САОРИ может быть записана в виде:
5(г V)=Есо®
{ак (V-)-а>(У0))Т+(((г ,ак) ~(го,юк)) 2
Н (рк у)-®(Уо))^
(рк (У)-а*Уо)% 2
(2)
где Ти - длительность импульса зондирующего сигнала. Особенность рассматриваемого случая состоит том, что сигнальная функция сложно зависит от набора частот зондирующих сигналов. Поэтому для дальнейшего анализа воспользуемся методом математического моделирования и проведем анализ зависимости длительности импульса на разрешение РЛС САОРИ по дальности и скорости. Для РЛС САОРИ зададим следующие параметры зондирующих сигналов: ®тт= 06 ГГц (^ = 5 м), А^тт = 6 МГц, ®тах =10 ГГц (1 = 3см). Сечения функции неопределённости РЛС САОРИ при одновременном измерении скорости и дальности объекта для различных Ти представлены на рис. 1. Полученные результаты моделирования показывают, что при увеличении Ти для РЛС САОРИ неоднозначность измерения дальности дЯ - постоянная величина, которая определяется спектром зондирующих сигналов [2]. В тоже время неоднозначность по скорости дУ возрастает пропорционально увеличению длительности сигнала.
Рис. 1. Сечения функция неопределенности РЛС САОРИ Заключение
РЛС САОРИ потенциально не уступают по дальности действия современным РЛС с ФАР, при этом для обзора всей рабочей зоны требуется в М раз меньше суммарной излучаемой мощности. С учетом того, что ти < Тз, РЛС САОРИ также будут превосходить по быстродействию и разрешающей способности по дальности и скорости существующие РЛС с ФАР.
Литература
1. Иванкин Е.Ф., Понькин В.А. Теоретические основы получения и защиты информации об объектах наблюдения. М.: Горячая линия. Телеком. 2008. 448 с.
2. Емельянов Е.С., Иванкин Е.Ф., Понькин В.А. Анализ пространственной избирательности многочастотной линейной антенной решетки. Радиотехника 2012. № 5. С. 79-83.
3. Ширман Я.Д., Голиков В.Н. и др. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. М.: Сов. Радио. 1970. 558 с.
4. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. Пер. с англ. Под ред. Кельзона В.С. М.: Советское радио. 1971. 568 с.
17
2-2014
5. Маковецкий П.В. и др. Сложные сигналы. Учебно-методическое пособие. Санкт-Петербург 2010. 65 с.
6. Григорьев Л.Н. Цифровое формирование диаграммы направленности в фазированных антенных решетках. М.: Радиотехника. 2010. 144 с., ил.
7. MIMO Radar Signal Processing. Jian Li, PetreStoica // Published by John Wiley & Sons, Inc. Hoboken. New Jersey 2009.
8. Куликов Е.И., Трифонов А.П. Оценка параметров сигналов на фоне помех. М.: Сов. Радио. 1978. 296 с. Для цитирования:
Емельянов Е.С. Потенциальная дальность действия перспективных многоканальных многочастотных РЛС с совместной апостериорной обработкой результатов измерений // i-methods. 2014. Т. 6. №2. С. 15-18.
The potential range of promising multi-channel multi-frequency radar joint posterior processing of the measurement results
Emelyanov E.S.
Ph.D., Military educational scientific center air force "air force Academy named after Professor N.E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin", Voronezh
Abstract
Made qualitative analysis of the potential range of promising multi-channel multi-frequency radar joint posterior processing of the measurement results (SAORI). The possibility of obtaining high range resolution and speed while providing a large range of radar SARAI.
Keywords: potential range; multifrequency RLS; aposteriorny processing; results of measurements; radar-tracking technology.
References
1. Ivankin E.F., Ponkin, V.A. Theoretical bases of obtaining and protecting information about objects of observation. M.: Hot line. Telecom. 2008. 448 p.
2. Emelyanov E.S., E.F. Ivankin, V. Ponkin, A. analysis of the spatial selectivity of multi-frequency linear antenna array. Radio 2012. No. 5. Pp. 79-83.
3. Shirman J. D., Golikov, V. N. etc. Theoretical bases of radar. Under the editorship of Sherman J. D. M.: Sov. Radio. 1970. 558 p.
4. Cook A.m., M. Bernfeld Radar signals. TRANS. angl. Under the editorship of V. S. Kelson M.: Soviet radio. 1971. 568 p.
5. P. V. Makovetskii, etc. Complex signals. The training guide. Saint-Petersburg 2010. 65 p.
6. Grigoriev, L. N. Digital beamforming in phased antenna arrays. M.: Radio Engineering. 2010. 144 p., ill.
7. MIMO Radar Signal Processing. Jian Li, PetreStoica // Published by John Wiley & Sons, Inc. Hoboken. New Jersey 2009.
8. Kulikov E. I., Trifonov A. P. Estimation of parameters of signals against the background noise. M.: Sov. Radio. 1978. 296 p.
For citation:
Emelyanov E.S. The potential range of promising multi-channel multi-frequency radar joint posterior processing of the measurement results // i-methods. 2014. Vol. 6. No. 2. Pp. 15-18.
