CC BY
177
УДК 621.396.96
A. Б. Б о р з о в, К. П. Л и х о е д е н к о,
B. Б. Сучков
ВОПРОСЫ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ БОРТОВЫХ НЕКОНТАКТНЫХ ДАТЧИКОВ ЦЕЛИ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ВОЛН
Рассмотрены основные направления по повышению эффективности и помехоустойчивости бортовых неконтактных датчиков цели. Проведен анализ показателей помехоустойчивости таких датчиков в миллиметровом диапазоне волн. Рассмотрены технологические аспекты создания перспективного бортового неконтактного датчика, функционирующего в миллиметровом диапазоне волн. Сделаны выводы о дальнейших путях совершенствования техники и технологии отечественных бортовых датчиков.
E-mail: wave@sm.bmstu.ru
Ключевые слова: датчик цели, неконтактный, помехоустойчивость,
миллиметровый диапазон волн, эффективность.
Проблемы построения бортовых неконтактных датчиков цели с высокими показателями эффективности и помехозащищенности. Системы ближней локации (СБЛ) широко применяются в виде индивидуальных устройств или подсистем сложных автоматических комплексов. Наиболее широко эти системы применяются в качестве составных частей различных боеприпасов и систем вооружений в виде неконтактных устройств принятия решений (взрывателей), измерителей координат — датчиков цели в составе систем управления боеприпасов, высотомеров и т.п.
Исключительная важность СБЛ заключается в том, что ее параметры и характеристики в значительной степени определяют эффективность всей системы или комплекса. В частности, для радиолокационных головок самонаведения современных комплексов управляемых боеприпасов именно бортовой неконтактный датчик цели (БНДЦ), функционирующий в радиолокационном диапазоне волн, определяет такие обликовые параметры комплекса, как разрешающая способность по всем измеряемым параметрам, всепогодность, всесуточность, помехоустойчивость в условиях всех типов помех, дальность действия (обнаружения, селекции, сопровождения), массогабаритные характеристики. Именно БНДЦ участвует в обмене информацией между СБЛ и устройствами навигации и разведки, что обеспечивает качественно новые характеристики комплексов по дальности стрельбы, точности, помехозащищенности и общей эффективности.
В настоящее время особенно острыми являются проблемы обеспечения эффективной работы как комплексов вообще, так и БНДЦ
в частности, в условиях отсутствия информационного обмена между системами управления комплекса и БНДЦ, что характерно для ракетных комплексов управляемых боеприпасов, реализующих принцип "выстрелил-забыл", в условиях интенсивных метеообразований и пыледымовых смесей, где оптические системы практически не пригодны. С учетом ограничений на размер антенной системы БНДЦ в составе боеприпаса и высоких требований по угловой избирательности возникает необходимость в переходе в миллиметровый диапазон волн (ММДВ) от 30 до 300 ГГц. Очевидно, что использование более коротких волн ММДВ дает существенный выигрыш по угловой разрешающей способности БНДЦ при фиксированном размере антенны (ее апертуры), однако на практике рабочая частота современных отечественных и зарубежных бортовых БНДЦ не превышает 95 ГГц, в первую очередь, вследствие ограничений технологического характера.
Распределенный характер объектов локации на фоне различных естественных и искусственных помех, малое время на обработку и анализ сигналов в сочетании с требованиями миниатюризации выделяют БНДЦ в отдельный вид систем радиолокации. Типичными для БНДЦ являются условия малой дальности до объекта локации (не более сотен метров), что существенно усложняет анализ радиофизических процессов взаимодействия зондирующих сигналов БНДЦ с целями больших электрических размеров вследствие искажения волновых фронтов в пределах объекта. А в сочетании с предельно малыми временными ресурсами в БНДЦ практически исключаются стационарные процессы при обнаружении, идентификации, селекции объектов локации, что существенно влияет на алгоритмическую и аппаратную реализацию этих процессов в устройстве обработки сигналов БНДЦ и повышает роль априорной информации о рассеивающих свойствах целей.
Условия миниатюризации БНДЦ предопределяют в большинстве случаев использование оптического информационного канала. К таким системам можно отнести БНДЦ, построенные на полупроводниковых лазерах и инфракрасных излучателях. Однако эти системы имеют низкую помехоустойчивость в условиях интенсивных пыледы-мовых смесей, характерных для боевых условий. Причем эти ограничения проявляются на физическом уровне распространения энергии в пространстве и поэтому не устраняются алгоритмическими и схемотехническими решениями.
Для повышения помехоустойчивости БНДЦ в условиях интенсивных естественных и искусственных помех используются радиоволны в качестве информационного канала, это привело к появлению и широкому распространению радиотехнических БНДЦ практически на всех типах средств доставки. Радиотехнические БНДЦ можно разделить на две группы — автодинные и радиолокационные [1].
Основным недостатком автодинных БНДЦ является их низкая помехоустойчивость и, как следствие, низкая эффективность, поскольку автодинное построение БНДЦ не позволяет обеспечить селекцию по дальности. Иными словами, прогресса в использовании радиотехнических БНДЦ на автодинах ждать не приходится. Очевидной альтернативой автодинам служит миниатюризация радиолокационных БНДЦ, которая, в первую очередь, касается его приемопередающей части. Зарубежный опыт показывает широкое использование универсальных БНДЦ с радиолокационным каналом. Для построения действительно перспективных БНДЦ необходимы разработка новых и использование новейших и перспективных методов и технологий, принципов действия и алгоритмов обработки сигнала, конструкторско-технологические решения по компоновке и размещению БНДЦ на борту средств доставки и ряд других мероприятий.
Анализ показателей помехозащищенности БНДЦ в ММДВ. В последнее время при проектировании БНДЦ основное внимание уделяется повышению их устойчивости к воздействию активных помех. Проблема представляется очень сложной, так как традиционные методы улучшения помехоустойчивости, связанные с использованием сложных зондирующих сигналов и специальных методов обработки отраженных сигналов, в значительной мере исчерпали себя. Это связано с непрерывным совершенствованием и развитием средств радиоэлектронного противодействия потенциального противника.
Поэтому перспективным представляется переход в ММДВ, основные достоинства которого связаны с наличием в нем спектральных окон затухания радиоволн и возможностью использования направленных антенн. В отличие от метрового и дециметрового диапазонов, где затухание в чистой атмосфере не превышает 0,01 дБ/км, в ММДВ на длине волны Л = 5 мм поглощение составляет 18 дБ/км, что существенно затрудняет постановку активных помех в этом частотном диапазоне на физическом уровне.
Для оценки преимуществ БНДЦ ММДВ, функционирующих у земной поверхности, рассмотрим одну из возможных тактических ситуаций, при которой станция активных помех, прикрывающая позицию, располагается от нее на удалении Бп. К заданной позиции под углом 7 приближается средство доставки БНДЦ метрового и миллиметрового диапазонов, начинающего функционировать на высоте Н (рис. 1). Антенна БНДЦ имеет диаграмму направленности ^бндц(#, ф) с коэффициентом направленного действия (КНД) Сбндц и коэффициентом полезного действия Пбндц. Плотность потока мощности активной помехи на входе автодина, приводящей к срыву автоколебаний и выводу из строя БНДЦ, определяется из следующего соотношения:
Qn = —•10 ' (1)
кВт
1Ö'J
10
Л=5мм
Я=8мм
Я=15м
500
1500 О, м
Рис. 1. Схема расположения БНДЦ у земной поверхности
Рис. 2. Зависимость мощности помех от дальности до объекта при различных значениях Л
Dn
где R = Н/1+1 + ctg yJ — дальность до постановщика помех;
Pn — мощность сигнала постановщика помех (Вт); Fn(0, ф), Gn — диаграмма направленности (ДН) и КНД антенны постановщика помех; а — коэффициент затухания радиоволн в атмосфере (дБ/км).
Тогда плотность мощности помехи Pn, создающей на входе БНДЦ мощность Рср, при которой нарушается функционирование БНДЦ, запишем так:
(4п )2 PCp R2 lQaR/1°4
Pn =
(2)
Оп^п(в, ^)£бндцПбндц^бндц(в, ^)А2'
где А — длина волны в свободном пространстве.
Результаты расчетов по этому соотношению приведены на рис. 2. При расчетах выбраны следующие значения исходных параметров: для БНДЦ метрового диапазона (А = 1,5 м) — СБНдц = 5, пБНдц = 0,2, а = 0,02 дБ/км, ^вд(в,ф) = 0,9; для БНДЦ ММДВ (А = 8 мм) — £бндц = 30, Пбндц = 0,8, а = 0,12 дБ/км, ^шдц(в,ф) = 0,3 и для БНДЦ ММДВ (А = 5 мм) — £БНДЦ = 30, пБНДЦ = 0,7, а = 16 дБ/км, ^БНдц(в,ф) = 0,24. Предельно допустимая мощность принята Рср = 10-3 Вт. Коэффициент направленного действия постановщика помех Сп = 10, а минимальная высота, на которой может быть осуществлено срабатывание БНДЦ под действием активной помехи, выбрана равной Н = 150 м. На такой и большей высотах эффективность средств доставки практически сводится к нулю.
Отметим, что организация активного противодействия в ММДВ даже на длине волны А = 8 мм чрезвычайно затруднена. Использование переносных станций с полупроводниковыми генераторами не дает
2
заметного эффекта, так как потенциально возможный уровень излучаемой мощности (несколько десятков киловатт в импульсе) становится недостаточным уже при удалении станции на несколько сотен метров от защищаемой позиции. Наземные передвижные станции становятся неэффективными для БНДЦ ММДВ при удалении от защищаемой позиции на 500 м и более.
Следует подчеркнуть, что создание мощных генераторов с уровнем мощности в импульсе порядка 1 МВт в ММДВ вообще является проблематичным, а на длине волны Л = 5 мм требуемая мощность помехи в зоне постановки указанных станций приблизительно на два порядка выше, чем в 8-миллиметровом диапазоне длин волн.
Это наглядно показывает исключительно высокую помехоустойчивость БНДЦ ММДВ в диапазоне Л = 5 мм. Организация активного противодействия в ММДВ чрезвычайно затруднена. В диапазоне частот 30... 60 ГГц станции заградительных радиопомех становятся неэффективными при удалении на 500 м и более. Воздействие естественных метеообразований повышает скрытность и помехоустойчивость БНДЦ ММДВ до 12... 16 дБ/км по сравнению с чистой атмосферой.
Другие методы повышения помехоустойчивости БНДЦ ММДВ аналогичны методам, используемым в других частотных диапазонах [2]. В ММДВ также необходимо делать выбор из различных вариантов функционального построения БНДЦ, зондирующих сигналов и методов его обработки. Эти факторы, а также рациональный выбор ДН антенн влияют на отношение сигнал/шум в приемнике и на точность в определении области принятия решений БНДЦ.
Технологические аспекты создания перспективного БНДЦ. Учитывая очевидное отставание уровня отечественных разработок в технологической области создания миниатюрных узлов и компонентов БНДЦ вообще, и в ММДВ в частности, целесообразно проводить анализ состояния элементной базы диапазона 53. . . 60 ГГц для создания перспективной БНДЦ на примере доступных зарубежных разработок.
Традиционно на протяжении более 30 лет узлы и компоненты устройств миллиметрового диапазона реализовывались в виде вол-новодных конструкций. Переход к миллиметровым волнам от деци-и сантиметровых позволяет существенно уменьшить габаритные размеры систем в волноводном исполнении. Однако с появлением ми-крополосковых технологий преимущества миллиметрового диапазона в уменьшении габаритов средств доставки стало достаточно условным. Более того, применение волноводных устройств в артиллерийских системах зачастую ограничено из-за значительных перегрузок при полете. Безусловно, существуют технические решения, позволяющие обеспечить прочность крепления активных элементов, но размеры волноводных устройств, по-прежнему, остаются большими и не
Рис. 3. Монолитный умножитель частоты на 4 (размер 1,8 х 0,8 мм)
позволяют реализовать малогабаритные устройства со сложными сигналами и соответствующей обработкой.
Можно сказать, что настоящей революцией в области техники и технологии ММДВ стало появление современных полупроводниковых и диэлектрических материалов, позволяющих строить микромодули, встраиваемые в микрополосковые конструкции.
Ведущие страны мира в последнее время все больше стремятся к миниатюризации электронных устройств, в том числе работающих в ММДВ. При этом наблюдается концентрация производства механической части и электронной в рамках одной фирмы. Например, американская аэрокосмическая корпорация Nortrop Grumman в результате приобретения компании TRW стала ведущим производителем интегральных схем миллиметрового диапазона, в том числе диапазона 53... 60 ГГц. В номенклатуре изделий подразделения Velocium фирмы Nortrop Grumman имеются: усилители мощности, смесители, умножители частоты (рис. 3), малошумящие усилители (МШУ).
В качестве примера, рассмотрим некоторые характеристики этих устройств и возможные схемы их использования в БНДЦ. В номенклатуре изделий имеются практически все ключевые модули для построения приемопередающей части БНДЦ, пример которой приведен на рис. 4. Видно, что опорный сигнал ППМ формируется в области частот 14... 16 ГГц, что на сегодняшний день не является технической проблемой и также реализуется в микрополосках. В этом диапазоне частот имеется возможность построения генераторов с фазокодовой манипуляцией (ФКМ), линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) с большой девиацией частоты, шумовых и комбинированных. Отметим, что формирование сложного сигнала — это один из наиболее эффективных способов распознавания малозаметных целей на фоне подстилающих поверхностей.
В Европе лидирующие позиции в разработке и производстве интегральных схем, используемых в ММДВ, занимает концерн United Monolithic Semiconductors (UMS). Этот концерн занимает лидирую-
MDB207 ALH382 Рис. 4. Функциональная схема узла ППМ микромодульного исполнения
щие позиции по производству микроэлектронных изделий миллиметрового диапазона вплоть до частот 110 ГГц. Основными потребителями продукции являются фирмы, работающие в области вооружений, космических исследований телекоммуникаций. Наибольший интерес с точки зрения проектирования и создания БНДЦ представляет тесное сотрудничество UMS c THALES и EADS — мировыми лидерами по разработке электроники для БНДЦ. На основе комплектующих UMS могут быть реализованы две функциональные схемы приемопередатчиков, которые могут быть использованы в БНДЦ. По своей номенклатуре и характеристикам изделия UMS близки к характеристикам изделий Nortrop Grumman.
Помимо изготовления самих микромодулей особое место занимает технологический аспект их сборки в законченные функциональные модули. В этой области наиболее впечатляющих результатов достигли две фирмы: THALES и EADS. Информация о технологиях, используемых первой фирмой, в доступной литературе достаточна скудна. В то же время о технологиях, используемых фирмой EADS, хорошо известно в силу двойного их применения.
Таким образом, принципиальных трудностей при конструировании и изготовлении плат для микромодулей ММДВ нет. Есть технологические и конструктивные особенности, которые следует учитывать. И еще раз подчеркнем — необходимо наличие соответствующего технологического и измерительного оборудования. Наметившееся отставание отечественных фирм в технологическом плане оценивается в 3... 5 лет. В настоящее время есть кадровый потенциал, способный сократить это отставание, но нет оборудования и средств измерений. Силами НПП "Исток" в рамках различных проектов осуществляется попытка решить некоторые технические и технологические проблемы при конструировании и изготовлении микромодулей.
Одним из недостатков БНДЦ, работающих в импульсном режиме излучения, является необходимость закрывать приемник на время излучения. Для дистанций срабатывания, начиная с нулевой дальности,
возникающая мертвая зона имеет принципиальное значение (как известно, временному интервалу 10 нс соответствует дистанция 1,5 м). Генерация коротких импульсов наносекундной длительности при существенном дефиците энергии оказывается сложной задачей.
Одним из возможных путей решения задачи развязки приемной и передающих антенн может служить голово-донное построение БНДЦ (рис. 5). При этом передающую часть целесообразно разместить в носовой части средства доставки, а в донной части расположить приемник, схему обработки и
предохранительно-исполнительный ме- РИС. 5. Схема головодонного по-ханизм. Такая компоновка уже при ка- строения БНДЦ
либре 100 мм позволяет обеспечить развязку до 90 дБ на согласованных поляризациях. Применение ортогональных поляризаций, очевидно, увеличит значение развязки.
Одна из основных трудностей при такой компоновке заключается в обеспечении связи между передатчиком и приемником для когерентной схемы построения. Предлагается выполнять такую связь в виде полого или заполненного диэлектриком волновода, проходящего через ось средства доставки.
Иногда установка БНДЦ в головной части неприемлема из-за особенностей действия средства доставки. В этих случаях целесообразно располагать БНДЦ в донной части. При этом с точки зрения формирования области принятия решения и, соответственно, ДН антенны возникает целый ряд проблем. При размещении антенн в донной части для формирования ДН в передней полусфере могут быть использованы линейные фазированные решетки. Реальные размеры донной части (за ведущим пояском) снарядов среднего калибра не превышают одного калибра. Следовательно, размеры апертуры антенны не должны превышать этого значения.
В настоящее время при разработке перспективных БНДЦ наметилась тенденция по переходу в субмиллиметровый и терагерцовый (ТГц) диапазоны волн. Особенность этого участка спектра заключается в том, что соответствующие ему длины волн слишком велики для применения хорошо развитой оптической техники и в то же время слишком малы для перенесения в него радиометодов. В этом диапазоне появляется возможность получить изображения, близкие по качеству к инфракрасным (ИК) изображениям в условиях ограниченной апертуры. При увеличении частоты в ТГц-диапазоне уменьшается
апертура антенны при том же КНД антенны и снижается потенциальная дальность действия приемопередающих станций. На частотах от 500 до 700 ГГц могут использоваться сверхпроводниковые интегральные приемники, объединяющие на одной подложке размером 4 мм малошумящий смеситель с квазиоптической антенной и сверхпроводниковым генератором. Возможности обработки сигнала и построения изображений в ТГц-диапазоне позволяют использовать этот диапазон при разработке и создании БНДЦ специального назначения. При этом для обнаружения, распознавания и идентификации объектов помимо радиотехнических могут использоваться методы, разработанные для обработки изображений в оптическом диапазоне. Кроме того, при использовании ТГц-диапазона появляется возможность объединения функций коррекции и срабатывания в одном устройстве (рис. 6).
Основные направления совершенствования функциональных и технологических решений БНДЦ. Использование отечественных спутниковых навигационных систем на данном этапе и в ближайшей перспективе представляется проблематичным из-за слабого развития отечественной спутниковой группировки и отсутствия приемных модулей.
Тенденция создания многофункциональных БНДЦ представляется разумной, поскольку позволяет унифицировать номенклатуру БНДЦ. При этом предпочтительнее использовать радиолокационные БНДЦ, поскольку они позволяют обеспечить всепогодность, всесуточность, избирательное действие в окрестности цели (неконтактное определение высоты, дистанции до маневрирующей цели, стороны пролета
Рис. 6. Объединение функций коррекции и срабатывания в одном устройстве
и др.). В то же время обеспечение многофункциональности неразрывно связано с взаимодействием со всеми компонентами комплекса. Целесообразно до или непосредственно после пуска передавать на борт средств доставки БНДЦ информацию об условиях встречи для обеспечения более полного использования возможностей бортовой аппаратуры. Следует отметить, что при наличии системы наведения эту информацию можно получать от нее, однако в ряде систем до настоящего времени и в ближайшей перспективе установка системы наведения не предусматривается. Командное управление от системы управления (СУ) зарекомендовало себя как надежный и эффективный способ управления средством доставки БНДЦ.
Возникает необходимость использования полученной от СУ информации на борту средства доставки. Информация о начальных условиях встречи с целью используются БНДЦ непосредственно. Решение задачи коррекции требует формирования на борту системы координат, выработки управляющих решений и исполнительных устройств. Для решения этой задачи целесообразно использовать не носовую, а боковую или донную компоновку БНДЦ, что позволит сориентировать антенны в направлении СУ, разместить средства управления и обеспечить больший объем под аппаратуру и источник питания.
Очевидно, что размещение всей перечисленной аппаратуры возможно лишь при условии ее микроминиатюризации, в том числе СВЧ части БНДЦ. Средства обработки также необходимо выполнять на основе интегральных схем высокой степени интеграции - заказных базовых матричных кристаллов. При этом отработку алгоритмов можно выполнять с помощью ПЛИС, что также является мировой тенденцией.
Резюмируя доступную информацию о современных и перспективных БНДЦ, следует отметить следующее:
— современный БНДЦ должен быть многорежимным и, как следствие, многофункциональным;
— БНДЦ должен быть построен по многомодульному принципу, что позволит решать вопросы его рационального конструктивного построения, компоновки и, как следствие, значительно повысить его эффективность при снижении стоимости;
— широкое использование миниатюрных компонентов СВЧ-моду-лей, а также модулей обработки сигналов и устройств принятия решения позволит значительно снизить габаритные размеры БНДЦ при одновременном качественном повышении его функциональных возможностей;
— необходимо комплексировать БНДЦ с СУ и с другими бортовыми информационными системами;
— использование цифровой обработки сигналов, реализованной на специализированных ПЛИС, позволит модернизировать алгоритмы обработки БНДЦ.
Облик перспективного БНДЦ при работе по маловысотным маневрирующим аэродинамическим целям с низкой отражающей способностью и высокой живучестью должны определять следующие основные группы характеристик.
1. Многорежимность, что позволит эффективно использовать БНДЦ для целей различных типов и в составе различных систем.
2. Наличие помехоустойчивого и помехозащищенного радиолокационного канала, что позволит осуществить помимо традиционной частотной селекции поражаемых целей пространственно-временную, а в перспективе и поляризационную селекцию малозаметных аэродинамических целей в условиях подстилающих поверхностей и фонов.
3. Малые габаритные размеры, низкая стоимость, высокая технологичность и надежность.
По результатам сравнения автодинных и радиолокационных БНДЦ предлагаются следующие технические решения, направленные на повышение показателей эффективности и помехозащищенности:
1) вместо автодинного использовать гетеродинное функциональное построение БНДЦ, позволяющее более чем на 2 порядка повысить чуствительность его приемного устройства и применять любой тип модуляции зондирующего сигнала;
2) вместо метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов радиоволн, традиционно используемых во всех типах БНДЦ, использовать миллиметровый диапазон радиоволн в окне их интенсивного затухания 54... 58 ГГц, а в качестве перспективных рассматривать субмиллиметровый и терагерцовый диапазоны волн;
3) применять направленные антенны, диаграммы направленности которых согласованы с областью эффективного действия носителя БНДЦ;
4) использовать для решения проблемы развязки передатчика и приемника импульсного БНДЦ головодонную схему построения БНДЦ на борту средства доставки;
5) использовать когерентную обработку входных сигналов БНДЦ, позволяющую эффективно подавлять некоррелированные помехи при накоплении сигнала и, как следствие, повышать помехоустойчивость БНДЦ вплоть до потенциальной;
6) использовать возможность многоканального разнесенного способа функционального построения входных трактов БНДЦ.
К числу основных факторов, сдерживающих создание такого БНДЦ, следует отнести технологический фактор — в области создания и производства СВЧ узлов и компонентов — и методический
фактор — в части недостаточного развития средств проектирования, разработки и испытаний БНДЦ ММДВ.
Результаты исследований получены в процессе выполнения НИР по проекту "Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению "Радиофизика, акустика и электроника" в рамках подраздела 1.3.1 "Проведение научных исследований молодыми учеными — кандидатами наук"раздела 1.3 "Проведение научных исследований молодыми учеными — кандидатами наук и целевыми аспирантами в научно-образовательных центрах" мероприятия 1 "Стимулирование закрепления молодежи в сфере науки, образования и высоких технологий" федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" (2009-2013 гг.).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. К о г а н И. М. Проектирование радиовзрывательных устройств. - М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1964. - 228 с.
2. М а к с и м о в М. В. Защита от радиопомех. - М.: Сов. радио, 1976. - 496 с.
Статья поступила в редакцию 21.12.2009
