Принципы построения радиолокационных станций с перестройкой несущей частоты Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Радиостроение

Научно-практический журнал ИКр ://www. гас! iovega.su

Ссылка на статью: // Радиостроение. 2019. № 02. С. 16-22

Б01: 10.24108/^е^.0219.0000148

Представлена в редакцию: 21.02.2018

© НП «НЕИКОН»

УДК 621.396.96

Принципы построения радиолокационных станций с перестройкой несущей частоты

Майоров Д.А. , Ильясафов А.Д.

1,*

аЛуа&а!:сп'@таД:гц

военная академия войсковой ПВО ВС РФ им. Маршала Советского Союза А.М.Василевского, Смоленск, Россия

Предложена структурная схема перспективной радиолокационной станции кругового обзора с поимпульсной перестройкой несущей частоты, которая позволит проводить обнаружение воздушных объектов, движущихся на фоне пассивных помех, а также определять их азимут, дальность и скорость при использовании сигналов с перестройкой частоты по случайному закону. Описаны принципы работы предложенной радиолокационной станции и ее основных элементов по структурной схеме.

Ключевые слова: селекция движущихся целей, радиолокационная станция, поимпульсная перестройка несущей частоты, сигналы с перестройкой частоты

Введение

Многие ученые относят перестройку несущей частоты зондирующих сигналов (ЗС) от импульса к импульсу к одному из перспективных направлений развития радиолокации [1]. Это связано с тем, что использование в радиолокационных станциях (РЛС) сигналов с перестройкой частоты по случайному закону может существенно повысить их помехоустойчивость, улучшить разрешающую способность по дальности [1] и обеспечить решение задачи распознавания воздушных объектов (ВО) на основе обработки их радиолокационных изображений (радиовидение).

Недостатком существующих РЛС является невозможность селекции движущихся целей (СДЦ) при поимпульсной перестройке несущей частоты, связанная со сложностью определения доплеровской частоты, которая от импульса к импульсу имеет неизвестное значение, определяемое геометрической конструкцией ВО и законом перестройки несущей частоты. В [2] описан принципиально новый способ СДЦ, предназначенный для обнаружения ВО на фоне пассивных помех (ПП) перспективными помехоустойчивыми РЛС обнаружения с перестройкой частоты, а также определения дальности и скорости ВО. Технические предложения по реализации способа [2] в РЛС с поимпульсной перестройкой частоты, а также алгоритм формирования и обработки дальностных портретов ВО в интересах обеспечения идентификации и СДЦ представлены в [3]. Для устранения указанного

недостатка необходимо разработать структурную схему перспективной РЛС, которая позволит реализовать способ [2] и алгоритм [3].

Постановка задачи

Задача, решаемая в данной работе, заключается в разработке на основе технических предложений и алгоритма, изложенных в [3], новой усовершенствованной конструкции РЛС кругового обзора, способной проводить эффективную СДЦ в режиме поимпульсной перестройки частоты, в интересах обнаружения воздушных объектов и определения их координат и параметров движения.

Принципы построения РЛС с перестройкой несущей частоты

Анализируя описанный в [2] способ, можно сделать вывод о том, что разработка новой структурной схемы РЛС должна основываться на классических принципах построения импульсно-доплеровских РЛС с малой скважностью, или РЛС с квазинепрерывными излучениями, в которых используются высокие частоты повторения зондирующих сигналов (до сотен килогерц). Данный вывод подтверждается известными достоинствами указанного типа РЛС, которые могут быть использованы для решения поставленной задачи.

К ним относятся:

- возможность селекции движущихся целей на основе использования эффекта Доплера (отсюда и название данного типа РЛС);

- возможность применения одной антенны для передачи и приема сигналов;

- возможность повышения энергии сигнала для обеспечения больших дальностей действия РЛС за счет применения когерентных зондирующих импульсов.

Существенным отличием разрабатываемой структурной схемы перспективной РЛС от классического импульсно-доплеровского радиолокатора будет являться наличие элементов, обеспечивающих формирование и обработку сигналов с перестройкой несущей частоты. Для формирования таких сигналов может быть использован синтезатор частот, принципы работы которого известны. Реализация способа [2] предполагает цифровую обработку сигналов, поэтому разрабатываемая структурная схема перспективной РЛС должна содержать цифровую вычислительную машину (ЦВМ). Кроме того, наличие ЦВМ обусловлено необходимостью управления синтезатором частот.

Приемная часть разрабатываемой РЛС может быть выполнена по классической супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты, необходимым для защиты от помех по зеркальному каналу. Преобразование частоты позволяет проводить эффективное усиление принятых сигналов. Для реализации способа [2] и обеспечения согласованной обработки отраженных сигналов необходимо их разделение на частотные и даль-ностные каналы. Частотная канализация может быть осуществлена с помощью частотных фильтров. Дальностные каналы согласно способу [2] реализуются цифровым способом с помощью ЦВМ.

В соответствии с вышеизложенным высокочастотная часть перспективной РЛС должна состоять из генератора высокой частоты, стабильного задающего генератора и схемы формирования гетеродинного сигнала. Приемная часть должна содержать две схемы преобразования частоты, усилительные элементы, частотные фильтры, а также квадратурные фазовые детекторы (ФД) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) для обеспечения цифровой обработки отраженных сигналов. Основным управляющим элементом РЛС будет являться ЦВМ, обеспечивающая формирование зондирующих импульсов с перестройкой частоты, а также цифровую обработку отраженных сигналов и выдачу информации на оконечные устройства.

Структурная схема предлагаемой РЛС для режима перестройки частоты от импульса к импульсу представлена на рис. 1.

Рис. 1 - Структурная схема перспективной РЛС с перестройкой частоты

Предлагаемая РЛС с перестройкой частоты от импульса к импульсу работает следующим образом. Стабильный задающий генератор формирует высокостабильные высокочастотные электромагнитные колебания на основной несущей частоте f0, которые поступают на входы первого и четвертого смесителя. В качестве стабильного задающего генератора целесообразно использовать отражательный клистрон. Для излучения сигналов со случайным законом изменения частоты в цифровой вычислительной машине формируется последовательность номеров частот излучения, которая распределяется по случайному закону и используется в пачке сигналов с перестройкой частоты (СПЧ). При этом будет сформирован вектор F, n-й элемент которого определяет порядковый номер n излучения импульса на n-й частоте. В интересах последующей обработки данные вектора F сохраняются [3].

Для обеспечения режима поимпульсной перестройки несущей частоты в синтезаторе частот постоянно генерируются высокочастотные колебания на всех n-х частотах fn =_/пр2+пЛ/, где f^i - вторая промежуточная частота, Df - шаг перестройки частоты. Указанные высокочастотные колебания с выхода синтезатора частот последовательно поступают на второй вход первого смесителя в соответствии с законом перестройки частоты, который определяется сигналами, поступающими в синтезатор частот с выхода ЦВМ в соответствии с сохраненным вектором F. Постоянство генерации колебаний исключает необходимость учета переходных процессов при быстром переключении частот. Кроме того, это позволяет использовать генерируемые синтезатором частот сигналы в качестве опорных для проведения квадратурного фазового детектирования отраженных сигналов в квадратурных фазовых детекторах.

Для реализации способа [2] в предлагаемой РЛС необходимо формировать и периодически излучать в пространство с помощью вращающейся по азимуту антенны три пары пачек импульсных сигналов с перестройкой несущей частоты по случайному закону. Процесс вращения антенны и излучения ею троек пар пачек СПЧ в пространство является постоянным. Этим обеспечивается полный обзор зоны обнаружения РЛС. Объединение пар пачек в тройки необходимо для обработки отраженных сигналов согласно способу [2]. В интересах повышения помехоустойчивости закон изменения несущей частоты должен быть различным для каждой пары пачек. Внутри пары пачек СПЧ указанный закон должен быть одинаковым в обеих используемых пачках.

Для обзора всей зоны обнаружения антенна должна изменять угловое положение по азимуту в диапазоне от 0 до 360°. Способ [2] предполагает отсутствие амплитудной модуляции сигналов из состава одной пары пачек СПЧ характеристикой направленности антенны при ее вращении. Для реализации способа [2] скорость вращения антенны и длительность пачек СПЧ необходимо выбирать из условий, позволяющих пренебречь указанной амплитудной модуляцией [3]. Вариант последовательности зондирующих сигналов представлен в [3]. С антенной механически связан датчик углового положения антенны, предназначенный для формирования сигналов, преобразуемых далее в специальный код,

несущий в себе информацию об угловом положении антенны в момент излучения очередной пары пачек СПЧ из состава тройки [3]. Указанный код поступает в ЦВМ.

Для формирования зондирующих СПЧ сигнал стабильного задающего генератора смешивается в первом смесителе с одним из сигналов, формируемых синтезатором частот. Длительность импульсов тг-, их период повторения Т и порядок смены частот определяются ЦВМ. Сигналы с выхода ЦВМ управляют работой импульсного модулятора. Импульсный модулятор формирует видеоимпульсы длительностью тг-, которые управляют работой генератора высокой частоты. Полоса пропускания выходного фильтра первого смесителя выбирается в диапазоне от /0+/пр2 до _/о+/пр2+^А/, где N - количество используемых частот. В этом случае на выходе первого смесителя будет присутствовать только узкополосный сигнал на одной из частот зондирования, а кратные гармоники будут подавляться.

Сигнал с выхода первого смесителя на частоте /0+/пр2+иА/ поступает на второй вход генератора высокой частоты, в качестве которого целесообразно использовать пролетный клистрон. Генератор высокой частоты, используя сигналы с выхода импульсного модулятора, формирует сверхвысокочастотные импульсные СПЧ заданной длительности тг-, которые через антенный переключатель передаются в антенну, излучающую их в пространство. Для излучения СПЧ в пространство целесообразно использовать зеркальную антенну. Отразившись от ВО, излученные радиосигналы с измененной структурой возвращаются к антенне, улавливаются ею и проходят в приемный тракт, куда также «просачиваются» и зондирующие сигналы. Факт попадания зондирующих радиосигналов в приемник экспериментально подтвержден в [4]. С выхода антенны принятые сигналы через антенный переключатель поступают на вход усилителя высокой частоты (УВЧ), который осуществляет их первичное усиление.

В предлагаемой РЛС осуществляется двойное преобразование частоты, необходимое для исключения влияния помех по зеркальному каналу. Преобразование частоты проводится с помощью кварцевого генератора, четвертого смесителя, фильтра, второго и третьего смесителей. Кварцевый генератор формирует непрерывные стабильные электромагнитные колебания на первой промежуточной частоте /пр1, которые поступают на третий и четвертый смесители. В четвертом смесителе эти колебания смешиваются с колебаниями стабильного задающего генератора, в результате чего на его выходе формируется комбинация высокочастотных колебаний на частотах, кратных сумме и разности основной несущей частоты /0 и первой промежуточной частот /пр1, которые поступают на фильтр. Полоса пропускания фильтра выбирается такой, чтобы на его выходе проходил только узкополосный радиосигнал на разностной частоте, равной /0-/пр1.

После первичного усиления отраженные радиосигналы с выхода УВЧ поступают на второй вход второго смесителя, на первый вход которого поступает сигнал с выхода фильтра. Полоса пропускания выходного фильтра второго смесителя выбирается в диапазоне от /пр1+/пр2 до /пр1+/пр2+Ж/

Основное усиление принятых сигналов производится в двух широкополосных усилителях промежуточной частоты (УПЧ). Сигналы с выхода второго смесителя поступают

в первый широкополосный УПЧ. Полоса пропускания первого широкополосного УПЧ выбирается в диапазоне от /пр1+/пр2 до /^+/^+N4/, а полоса пропускания второго широкополосного УПЧ - в диапазоне от /пр2 до /пр2+#Д/. Усиленные отраженные сигналы на частоте /пр1+/пр2+пА/ с выхода первого широкополосного УПЧ поступают на первый вход третьего смесителя (на втором входе которого присутствуют сигналы на первой промежуточной частоте /пр1), который осуществляет перенос спектра сигналов на вторую промежуточную частоту/пр2. Для этого полоса пропускания выходного фильтра третьего смесителя выбирается в диапазоне от/пр2 до /пр2+#Д/. Отраженные сигналы на частоте /пр2+пА/ с выхода третьего смесителя поступают на вход второго широкополосного УПЧ, в котором осуществляется их усиление.

Выход второго широкополосного УПЧ соединен одновременно с входом каждого фильтра п-й частоты соответствующего п-го частотного канала, с помощью которых производится распределение сигналов по частотным каналам. Число каналов равно числу частот N. Полоса пропускания фильтра п-й частоты выбирается в диапазоне /пр2 +пА/ ± А//2. В каждом п-м частотном канале фильтр настроен на свою п-ю частоту. То есть фильтр пропускает в свой п-й канал сигналы только соответствующей номеру канала частоты. При этом для правильной расфильтровки сигналов необходимо выполнение условия Т; >1/(2А/) [3].

В интересах проведения дальнейшей обработки принятые сигналы с выходов фильтра п-й частоты поступают на вход квадратурного фазового детектора соответствующего п-го канала, где они разделяются на квадратурные составляющие (синусную 1т и косинусную Яв). Для проведения квадратурной обработки на квадратурный фазовый детектор каждого п-го частотного канала подаются опорные колебания на частоте/пр2 +пА/, постоянно генерируемые синтезатором частот для формирования зондирующих сигналов.

В каждом частотном канале полученные с помощью квадратурного ФД квадратурные составляющие принятых сигналов Яв и 1т поступают в аналого-цифровой преобразователь, где они преобразовываются в цифровую форму. Частота дискретизации АЦП выбирается по теореме Котельникова, согласно которой для однозначного восприятия функции дискретными значениями частота дискретизации должна выбираться как минимум в два раза больше частоты дискретизируемой функции (аналогового сигнала на выходе УПЧ).

На выходе АЦП п-х частотных каналов формируются отсчеты соответствующих квадратурных составляющих (синусной и косинусной) отраженного сигнала на частоте /пр2 +пА/, которые в комплексном виде (в виде комплексного числа) поступают на соответствующие п-е входы ЦВМ, где проводится их многоканальная цифровая обработка согласно способу [2]. Она включает в себя: согласованную фильтрацию принятых сигналов, формирование частотных характеристик (ЧХ) в каждом дальностном канале, компенсацию радиального движения пассивной помехи (перефазирование ЧХ), формирование разностных частотных характеристик, компенсацию радиального движения ВО (перефазирование разностных ЧХ), построение дальностных портретов ВО, получение трех оценок

радиальной скорости ВО и сравнение их между собой, на основании чего принимается решение о наличии ВО в обрабатываемом дальностном канале на выбранном азимуте. Алгоритм обработки поступивших в ЦВМ сигналов подробно описан в [3].

Следует отметить, что описанный процесс приема и обработки отраженных сигналов относится лишь к одному из азимутальных положений антенны при обзоре. Данный процесс по мере вращения антенны по азимуту является непрерывным, что обеспечивает полный обзор зоны обнаружения РЛС. Решение о принадлежности ВО определенному азимутальному каналу вырабатывается ЦВМ на основании сигнала, формируемого датчиком углового положения антенны и несущего в себе информацию о положении нормали антенны в момент излучения второй пары обрабатываемых пачек СПЧ из состава тройки.

Результаты обработки с первого выхода ЦВМ поступают на вход индикатора кругового обзора. Результаты обработки сигналов отображаются в виде информации об азимуте, дальности и скорости ВО на индикаторе.

Таким образом, в ходе исследований разработана принципиально новая усовершенствованная конструкция РЛС, способной проводить эффективную СДЦ в режиме перестройки частоты от импульса к импульсу.

Список литературы

1. Радиолокационные системы многофункциональных самолетов: В 3-х т. Т. 1: РЛС -информационная основа боевых действий многофункциональных самолетов. Системы и алгоритмы первичной обработки радиолокационных сигналов / Под ред. А.И. Ка-нащенкова и В.И. Меркулова. М.: Радиотехника, 2006. 656 с.

2. Майоров Д.А., Митрофанов Д.Г., Шелихевич И.С., Боделан Б.Г., Хрупало Д.А., Рахманов А.Е. Способ селекции движущихся целей в режиме поимпульсной перестройки несущей частоты: пат. 2419107 Российская Федерация. 2011. Бюл. № 14. 26 с.

3. Майоров Д.А., Перехожев В.А., Шемяков А.О. Разработка алгоритма получения и обработки спектральных признаков воздушного объекта в интересах идентификации и селекции движущихся целей // Тр. МАИ. 2013. Вып. 71. С. 33.

4. Крючков И.В., Нефедов С.И., Ротов М.К. Возможности регистрации и обработки длительных когерентных сигналов на базе высокоскоростных АЦП и сигнальных процессоров // Всеросс. науч.-техн. конф. «Информационно-телекоммуникационные технологии» (Сочи, Россия, 19-26 сент. 2004 г.): Сб. докл. М.: Изд-во МЭИ, 2004.