Способ обнаружения и определения местоположения воздушных объектов

 

Изобретение относится к области радиолокации и может использоваться в радиолокационных комплексах для обнаружения и определения местоположения воздушных объектов. Технический результат заключается в увеличении дальности обнаружения воздушных объектов при воздействии мощных активных помех, излучаемых передатчиком случайно модулированных сигналов с неизвестным местоположением. Способ заключается том, что излучается зондирующий радиосигнал, одновременно принимаются сигнал от передатчика случайно модулированных сигналов и эхо-сигнал, отраженный от контрольного местного предмета с известными координатами, для их корреляционной обработки и определения местоположения передатчика случайно модулированных сигналов. Далее производят одновременный прием сигнала от передатчика случайно модулированных сигналов и эхо-сигнала, отраженного от воздушного объекта, для их корреляционной обработки и определения местоположения воздушного объекта. 10 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области радиолокации и может использоваться в радиолокационных комплексах для увеличения дальности обнаружения воздушных объектов при воздействии активных помех большой интенсивности.

Известный способ обнаружения и определения местоположения воздушных объектов, заключающийся в излучении зондирующего радиосигнала передатчиком и приеме приемником, совмещенным с передатчиком, отраженного эхо-сигнала от воздушного объекта, позволяет обнаруживать и определять его местоположение по направлению прихода отраженного эхо-сигнала и времени его запаздывания с момента излучения зондирующего сигнала [1, стр. 9 рис.1.3(а)].

Данный способ можно использовать в условиях, когда отсутствуют активные шумовые помехи на входе приемного устройства. Таким образом, его недостатками является невозможность обнаружения воздушных объектов в условиях воздействия активных шумовых помех.

Наиболее близким к изобретению является способ обнаружения и определения местоположения воздушного объекта, заключающийся в излучении зондирующего радиосигнала передатчиком, приеме основным приемником отраженного эхо-сигнала от воздушного объекта, приеме дополнительным приемником сигнала активной шумовой помехи передатчика случайно модулированных сигналов, автокомпенсации принятой случайно модулированной помехи в основном приемнике, обнаружение отраженного эхо-сигнала и определение наклонной дальности до воздушного объекта по времени его запаздывания с момента излучения зондирующего сигнала [там же, стр. 367, рис.6.40 и стр. 432, рис.7.6].

Данный способ позволяет при воздействии активной шумовой помехи обнаружить отраженный эхо-сигнал, определить местоположение воздушного объекта по направлению приема и времени запаздывания отраженного сигнала. Наклонная дальность до воздушного объекта определяется как

где с - скорость распространения радиоволн;

t ₃ - время задержки сигнала, отраженного от воздушного объекта.

Реализация данного способа позволяет обнаруживать и определять местоположение воздушных объектов при совмещенном приемнике с передатчиком и воздействии активной шумовой помехи.

Максимальная дальность обнаружения устройства определяется по известному выражению для совмещенной радиолокации в условиях воздействия внешних активных маскирующих помех [там же, стр. 241(2)] как

где Э_пр.мин=ν·(No+η·N _ПАП) - минимальная энергия эхо-сигнала, требуемая для обнаружения воздушного объекта [там же, стр. 426 (1)];

ν - коэффициент распознавания сигнала в приемнике на фоне шумов;

N_o - мощность внутренних шумов приемника;

η - коэффициент подавления помехи в приемном устройстве;

N_ПАП - мощность внешних шумов (активной маскирующей помехи) на входе приемного устройства;

P_СР - средняя мощность передатчика зондирующих сигналов;

t _ОБЗ - время обзора пространства;

G_экв - эквивалентный коэффициент усиления антенны;

А_ЭФ - эффективная площадь антенны;

σ _Ц - эффективная отражающая поверхность цели.

Недостатками этого способа обнаружения воздушных объектов являются обязательная работа энергоемкого передающего устройства и невозможность определения наклонной дальности до постановщика активных шумовых помех. Кроме того, из выражения (2) следует значительное уменьшение дальности обнаружения при воздействии интенсивных активных шумовых помех, несмотря на высокий коэффициент подавления помехи в приемном устройстве η, который находится в пределах от ста до тысячи, в зависимости от технической реализации способа, при воздействии активной помехи по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны (ДНА).

Цель предлагаемого изобретения - увеличение дальности обнаружения воздушных объектов при воздействии мощной активной маскирующей помехи на основе обнаружения отраженного от воздушного объекта эхо-сигнала, излучаемого передатчиком случайно модулированных сигналов, который создает активную маскирующую помеху в ответ на облучение зондирующим сигналом передатчика РЛС.

Для достижения этой цели в способе обнаружения и определения местоположения воздушного объекта, заключающимся в излучении зондирующего радиосигнала передатчиком, приеме основным приемником отраженного эхо-сигнала от воздушного объекта, приеме дополнительным приемником сигнала активной шумовой помехи от передатчика случайно модулированных сигналов, автокомпенсации принятой случайно модулированной помехи в основном приемнике, дополнительно осуществляется двухэтапная корреляционная обработка сигналов, принятых основным и дополнительным приемниками для обнаружения переотраженного от воздушного объекта сигнала, излученного передатчиком случайно модулированных сигналов, при этом на первом этапе осуществляются поиск, обнаружение и определение местоположения передатчика излучающего случайно модулированные сигналы, для этого с помощью фазированной антенной решетки (ФАР) создаются две диаграммы направленности с совмещенными фазовыми центрами, первая диаграмма направленности, формирующая дополнительный канал приема, осуществляет поиск и пеленгацию передатчика случайных модулированных сигналов, а вторая диаграмма направленности, формирующая основной канал приема, направляется на контрольный местный предмет с известными координатами, при этом сигнал, принятый от передатчика случайных модулированных сигналов, и сигнал, отраженный от контрольного местного предмета, подвергаются корреляционной обработке с целью определения разности пройденных ими расстояний, при этом наклонная дальность до передатчика случайно модулированных сигналов определяется выражением [там же, стр. 497]

где Б - база, известное расстояние от основного приемника до контрольного местного предмета;

β - азимутальный угол между направлением на передатчик случайных модулированных сигналов и линией, направленной на контрольный местный предмет;

ε - угол места передатчика случайных модулированных сигналов;

Δr - разность расстояний, пройденных сигналами от передатчика случайных модулированных сигналов и переотраженного от контрольного местного предмета,

а местоположение передатчика случайно модулированных сигналов, излучающего активную помеху, определяется направлением диаграммы направленности антенны, формирующей дополнительный канал приема, и наклонной дальностью, вычисленной по приведенному выше выражению, на втором этапе осуществляются поиск, обнаружение и определение местоположения воздушного объекта, для этого первая диаграмма направленности, формирующая дополнительный канал приема, остается направленной на передатчик случайно модулированных сигналов, а вторая диаграмма направленности, формирующая основной канал приема, осуществляет поиск воздушного объекта, при этом сигнал, принятый от передатчика случайных модулированных сигналов, и сигнал, отраженный от воздушного объекта, подвергаются, как и на предыдущем этапе, корреляционной обработке с целью его обнаружения и определения разности пройденных ими расстояний, наклонная дальность до воздушного объекта определяется аналогичным выражением

но в отличие от предыдущего этапа параметрами в выражении являются:

Б₁ - база, расстояние от передатчика случайно модулированных сигналов до основного приемника;

β ₁ - азимутальный угол между направлением на воздушный объект и направлением на передатчик случайно модулированных сигналов;

ε ₁ - угол места между направлением на воздушный объект и направлением на передатчик случайно модулированных сигналов;

Δr ₁ - разность расстояний, пройденных сигналами от передатчика случайных модулированных сигналов и переотраженного от воздушного объекта,

тогда местоположение воздушного объекта определяется направлением диаграммы направленности антенны, формирующей основной канал приема, и наклонной дальностью, вычисленной по приведенному выражению (4).

Новыми признаками способа, обладающими существенными отличиями, являются:

1. Обнаружение воздушного объекта по отраженному от него сигналу, излученному передатчиком случайно модулированных сигналов с неизвестным местоположением.

2. Определение местоположения воздушного объекта путем последовательного решения следующих задач:

пеленгации излучения передатчика случайно модулированных сигналов и определение его местоположения путем корреляционной обработки сигнала, принятого от него, и сигнала, отраженного от контрольного местного предмета с известными координатами;

определения местоположения воздушного объекта путем корреляционной обработки отраженного от него сигнала и сигнала, принятого непосредственно от передатчика случайно модулированных сигналов.

Данные признаки обладают существенными отличиями, т.к. в известных способах не обнаружены.

Применение всех новых признаков в РЛС позволяет увеличить дальность обнаружения воздушных объектов при воздействии мощных активных маскирующих помех, излучаемых передатчиком случайно модулированных сигналов в ответ на облучение его зондирующим сигналом передатчика РЛС.

Сущность изобретения заключается в формировании с помощью фазированной антенной решетки, как минимум, двух узконаправленных диаграмм, направленных на передатчик случайно модулированных сигналов и на воздушный объект, корреляционной обработке сигналов, принятых от источника излучения и отраженного от воздушного объекта, с целью определения разности пройденных ими расстояний.

На первом этапе обнаружения воздушного объекта определяется местоположение передатчика случайно модулированных сигналов. На фиг.1 показан поясняющий чертеж, где изображен передатчик случайно модулированных сигналов 1, приемное устройство 2 и контрольный местный предмет 3. При этом координаты приемного устройства 2 и контрольного местного предмета 3 заранее известны.

По известному направлению прихода радиоволн от передатчика случайно модулированных сигналов 1, переотраженного сигнала от контрольного местного предмета 3 и разности расстояний, пройденных сигналами, определяется наклонная дальность до передатчика случайно модулированных сигналов [1] по формуле (3). Разность расстояний, пройденных сигналами от передатчика случайных модулированных сигналов и переотраженного от контрольного местного предмета, определяется как

Δr=(R1+R2)-Б

где R2 - расстояние, пройденное сигналом, от контрольного местного предмета до приемного устройства;

R1 - наклонная дальность, расстояние, пройденное сигналом, от передатчика случайных модулированных сигналов до приемного устройства.

На втором этапе, после определения координат передатчика случайных модулированных сигналов, осуществляются поиск, обнаружение и определение координат воздушных объектов. На фиг.2 изображены передатчик случайно модулированных сигналов 1, приемное устройство 2 с известными координатами и воздушный объект 3, координаты которого требуется определить.

Разность расстояний, пройденная сигналами, определяется как

Δr ₁=(R1₁+R2₁)-Б₁,

где Б₁ - расстояние от передатчика случайных модулированных сигналов 1 до приемного устройства 2;

R1₁ - расстояние, пройденное сигналом от передатчика случайных модулированных сигналов 1 до воздушного объекта 3;

R2₁ - расстояние, пройденное переотраженным сигналом от воздушного объекта 3 до приемного устройства 2.

Наклонная дальность до воздушного объекта 3 (фиг.2) определяется выражением (4).

Таким образом, местоположение воздушного объекта определяется по известному азимуту β ₁, углу места ε ₁ и вычисленной наклонной дальности R2₁ .

На фиг.3 приведен вариант схемы устройства для реализации предложенного способа, которая состоит из известных элементов, входящих в состав РЛС. Устройство содержит фазированную антенную решетку 1, формирователь диаграммы направленности антенны 2, антенный переключатель 3, передатчик 4, формирователь зондирующего сигнала 5, синхронизатор 6, блок вычитания на высокой частоте 7, приемник основного канала 8, аналого-цифровой преобразователь основного канала 9, обнаружитель 13, блок отбора мощности опорного канала 14, приемник дополнительного канала 15, аналого-цифровой преобразователь дополнительного канала 16, блок сдвига частотных и временных параметров 17, пеленгатор 18, блок управления диаграммами направленности антенны 19, вычислительное устройство 20, устройство отображения 21, коррелятор дополнительного канала 22.

Особенностью устройства является наличие как минимум двух управляемых, узконаправленных диаграмм направленности антенны, сформированных с помощью фазированной антенной решетки, которые образуют каналы приема от источника излучения передатчика случайно модулированных сигналов, в дальнейшем именуемым дополнительным каналом, и канал приема отраженного сигнала от цели, в дальнейшем именуемым основным каналом. Узконаправленная диаграмма антенн имеет боковые лепестки, как правило, на уровне от –20 до –30 дБ, что позволяет ослабить прямой сигнал от передатчика случайно модулированных сигналов, проникающий в основной канал приема в 100-1000 раз, но несмотря на это его мощность значительно превышает мощность отраженного от цели сигнала.

Таким образом, предлагаемый способ обнаружения и определения местоположения воздушных объектов возможен при условии качественной компенсации коррелированной помехи в основном канале. Все устройство может работать в трех режимах.

Первый режим реализует известный способ обнаружения, основанный на активной импульсной локации воздушного пространства, являющийся прототипом. Он применяется в случае, когда в зоне обзора нет достаточно мощных передатчиков случайно модулированных сигналов, которые являются источниками электромагнитного излучения, или их невозможно использовать из-за несогласованности частотных диапазонов.

Второй режим пассивной корреляционно-базовой локации с выключенным передатчиком 4 и формирователем зондирующего сигнала 5. Обнаружение осуществляется на основе использования рассмотренного выше способа определения координат воздушных объектов. Он используется, когда в зоне обзора имеются достаточно мощные независимые передатчики случайно модулированных сигналов, излучение которых согласуется с частотным диапазоном устройства. При этом во втором режиме экономятся ресурс передатчика и потребляемая энергия устройства, обеспечивается скрытность его работы от радиотехнических средств разведки.

Третий режим совмещенной пассивной и активной локации. В этом режиме используется энергия зондирующего сигнала передатчика и постановщика активных помех одновременно. Он применяется в случае, когда принятый постановщиком помех зондирующий импульс от передатчика является управляющим сигналом для формирования прицельной помехи.

В первом режиме устройство работает следующим образом.

Синхронизатор 6 вырабатывает импульс запуска, поступающий на блок формирования зондирующего сигнала 5. Кроме этого, синхронизатор 6 осуществляет согласование работы приемников 8 и 15, аналого-цифровых преобразователей 9 и 16, вычислительного устройства 20 и индикаторного устройства 21. В блоке 6 формируется стабильный зондирующий импульс, который поступает на вход передатчика 4. В передатчике зондирующий сигнал усиливается, через антенный переключатель 3 поступает в основной канал формирователя диаграммы направленности антенны 2 и через фазированную антенную решетку 1 излучается в пространство. На время между импульсами запуска стабильный зондирующий импульс запоминается в блоке формирования 5 и поступает на первый вход коррелятора основного канала 11. Сигнал, отраженный от воздушного объекта, принимается элементами фазированной антенной решетки 1 и поступает на формирователь диаграммы направленности антенны 2, где по образованному целевому каналу передается на приемник основного канала 8. С него сигнал, усиленный и преобразованный на пониженную промежуточную частоту, подается на аналого-цифровой преобразователь основного канала 9, где переводится в цифровой вид и поступает на автокомпенсатор 10. Помеховый сигнал, в первом режиме, так же принимается элементами фазированной антенной решетки 1 и через формирователь диаграммы направленности 2 поступает в опорный канал на приемник дополнительного канала 15. Сигнал, усиленный и преобразованный на пониженную промежуточную частоту, с приемника подается на первый вход аналого-цифрового преобразователя дополнительного канала 16, где переводится в цифровой вид и поступает на второй вход автокомпенсатора 10. Приемник основного канала 8, дополнительного канала 15 и аналого-цифровые преобразователи 9, 16 основного и дополнительного каналов должны обладать высокой идентичностью для качественной компенсации коррелированной помехи в автокомпенсаторе 10. Автокомпенсатор 10 компенсирует коррелированную помеху в основном канале до уровня внутренних шумов приемника, после чего сигнал, отраженный от воздушного объекта, поступает на первый вход коррелятора основного канала 11. На второй вход этого коррелятора подается зондирующий сигнал с блока формирования 5. После оптимальной обработки в корреляторе 11 сигнал, через блок вычитания 12, поступает на обнаружитель 13. В обнаружителе 13 сигнал сравнивается с порогом и принимается решение о наличии или отсутствии воздушного объекта в каждом разрешаемом объеме пространства. При обнаружении сигнала код о его времени задержки подается на вычислительное устройство 20, где по направлению диаграммы направленности и времени задержки отраженного от цели сигнала определяются координаты воздушного объекта. Эта координатная информация выводится на устройство отображения 21.

Во втором режиме устройство реализует предлагаемый способ обнаружения и работает следующим образом.

Фазированная антенная решетка 1 осуществляет одновременный прием случайно модулированных сигналов от источника излучения и отраженного от воздушного объекта или контрольного местного предмета, который этот источник излучения “подсвечивает”. Формирование диаграмм направленности антенн осуществляется в блоке 2 с помощью управляемых фазовращателей и сумматоров, которые совместно с фазированной антенной решеткой 1 образуют одновременно, как минимум, два узконаправленных направления приема и являются диаграммообразующей схемой, предназначенной для формирования основного и дополнительного каналов. Изменение направлений приема сигналов осуществляется блоком управления диаграммами направленности антенны 19 совместно с пеленгатором 18 и вычислительным устройством 20, при этом они решают задачу отслеживания углового положения источника излучения диаграммой направленности дополнительного канала. Дополнительный канал формируется вторым выходом блока формирования диаграммы направленности 2. Кроме того, блок 19 осуществляет управление диаграммой направленности антенны, формирующей основной канал на первом выходе блока 2. Со второго выхода блока формирования диаграммы направленности сигнал поступает на пеленгатор 18 и на вычислительное устройство 2. Вычислительное устройство на основании анализа мощности случайно модулированных сигналов, принятых дополнительным каналом, определяет те источники излучений, энергию которых целесообразней использовать для обнаружения воздушных объектов в просматриваемой области пространства. После определения направления на выбранный источник излучения диаграмма направленности дополнительного канала фиксируется, а диаграмма направленности основного канала направляется на контрольный местный предмет с известными координатами. В соответствии с описанным выше способом, который поясняет фиг.1, в вычислительном устройстве 20 определяются дальность до источника излучения случайно модулированных сигналов в соответствии с выражением (3) и окончательное определение возможности его использования. Сигнал, отраженный от контрольного местного предмета (на втором этапе сигнал, отраженный от цели), принимается диаграммой направленности основного канала, который предназначен для обзора пространства с целью поиска воздушных объектов, с периодическим ее направлением на контрольный местный предмет, для уточнения или определения дальности до источника излучения. От передатчика случайно модулированных сигналов 1 (фиг.1, 2) сигнал по дополнительному каналу поступает на блок отбора мощности 14 (фиг.4), который предназначен для передачи части сигнала, соответствующей уровню бокового приема целевого канала в направлении источника излучения. Совмещение электрических центров диаграмм направленности на одной антенне и точность установки отбираемой мощности из дополнительного канала в блоке 14 обеспечивает первичную декорреляцию основного и дополнительного каналов в блоке вычитания на высокой частоте 7. В связи с тем, что динамический диапазон современных аналого-цифровых преобразователей находится в пределах 20-30 дБ, ошибка установки отбираемой мощности из дополнительного канала не должна превышать 1% при одинаковых расстояниях, пройденных сигналами от устройства формирования диаграммы направленности 2 до блока вычитания на высокой частоте. Уровень отбираемой мощности блоком 14 определяется вычислительным устройством 20. Оно устанавливает ослабление сигнала в блоке отбора мощности 14 по анализу конфигурации диаграммы направленности основного канала и определения уровня приема в направлении источника излучения шума или определяет ослабление по соотношению мощности сигнала в основном канале и мощности сигнала в дополнительном канале. После устройства вычитания сигналы дополнительного и основного каналов поступают соответственно в блоки приемников 8 и 15, которые усиливают и преобразовывают сигналы на промежуточную частоту. Приемники 8 и 15 усиливают сигналы основного и дополнительного каналов до одинакового уровня и преобразуют их на промежуточную частоту для нормальной работы аналого-цифровых преобразователей 9 и 16. Сигнал в цифровом виде из аналого-цифрового преобразователя 9 поступает на автокомпенсатор 10. На второй вход автокомпенсатора 10 поступает сигнал дополнительного канала из аналого-цифрового преобразователя 16. Двухканальный автокомпенсатор 10 собран по схеме с прямыми корреляционными связями, которые позволяют вычислить коэффициент регрессии. Он осуществляет компенсацию коррелированной помехи в основном канале до уровня, сопоставимым с уровнем внутренних шумов приемника, а также обеспечивает восстановление исходной амплитудно-фазовой структуры полезного сигнала в основном канале, которая может быть искажена неточностью установки блока отбора мощности 14 перед блоком вычитания 7.

Сигнал от источника излучения, принятый дополнительным каналом, поступает на блок сдвига частотных и временных параметров 17. Сдвиг частотно-временных параметров осуществляется одновременно или последовательно во всем наблюдаемом диапазоне, при этом его техническая реализация может осуществляться на базе запоминающего устройства. Временной сдвиг сигнала, принятого опорным каналом, осуществляется его задержкой при считывании с запоминающего устройства, а частотный сдвиг осуществляется изменением тактовой частоты считывания. Максимальный временной сдвиг определяется областью просматриваемого пространства (фиг.1, 2) как

где с - скорость распространения радиоволн.

Максимальный частотный сдвиг определяется частотой Доплера исходя из максимально возможной радиальной составляющей скорости полета воздушного объекта относительно перпендикуляра, опущенного от цели 3 на линию базы Б (фиг.3) по выражению

где V₁ - максимальная, перпендикулярная линии базы составляющая скорости цели;

λ - длина волны сигнала от источника излучения шума.

Корреляторы 11 и 22 осуществляют вычисление корреляционного интеграла для каждой просматриваемой области оценочных частотно-временных параметров и формирование выходной корреляционной функции. На вход блока корреляторов 22 поступает сигнал дополнительного канала от аналого-цифрового преобразователя 16 и сигнал от блока сдвига частотных и временных параметров 17 с нулевым сдвигом частотно-временных параметров. На вход блока корреляторов 11 поступает сигнал, принятый основным каналом, от автокомпенсатора 10 и сигнал от блока сдвига частотных и временных параметров 17. Для шумового сигнала ширина пика корреляционной функции во времени по уровню половинной мощности определяется как

где П - ширина спектра принятого сигнала.

Ширина пика корреляционной функции по частоте определяется как

где Т_Н - время наблюдения за одной областью пространства.

Для вычисления корреляционной функции сигнала, отраженного от цели, и автокорреляционной функции сигнала от источника излучения из выражений (5), (6), (7) и (8) определяется количество необходимых корреляторов в блоке 11 по выражению как

Количество корреляторов, при параллельном обзоре просматриваемой области пространства на максимальную дальность, может достигать десятков тысяч. Поэтому их реализация целесообразна на основе использования программируемых интегральных логических схем, которые позволяют программно устанавливать связи между блоком сдвига частотных и временных параметров 17 и корреляторами 11 и 22. Для уменьшения количества корреляторов наблюдение за просматриваемыми областями пространства можно осуществлять последовательно. Последовательное наблюдение осуществляется путем перестройки блока сдвига частотно-временных параметров 17, при этом уменьшается время наблюдения за каждой областью пространства, что ухудшает энергетические соотношения сигнала и помехи на выходе устройства.

В третьем режиме устройство совмещает первый и второй режимы, одновременно используя для обнаружения переотраженные от воздушного объекта сигналы зондирующего импульса передатчика РЛС и передатчика случайно модулированных сигналов. Особенность заключается в работе коррелятора основного канала 11. На первый вход коррелятора 11 подается сигнал о структуре зондирующего импульса с формирователя зондирующего сигнала 5, на третий вход коррелятора подается сигнал опорного канала с соответствующим сдвигом частотно-временного параметра, устанавливаемого блоком 17. Сдвиг частотно-временного параметра в блоке 17 должен соответствовать просматриваемой области пространства, от которой ожидается прием отраженного зондирующего сигнала от передатчика РЛС, и осуществляется установкой соответствующих связей между коррелятором 11 и блоком сдвига частотно-временного параметра 17. Это необходимо для совместного использования энергии зондирующего сигнала и постановщика помех с целью максимальной эффективности обнаружения воздушных объектов.

Проведенный анализ возможности обнаружения воздушных объектов показывает, что в первом режиме, когда обнаружение воздушного объекта осуществляется только за счет излученной энергии передатчика, аналитический расчет дальности обнаружения воздушного объекта 3 устройством 2 определяется по формуле (2) и показан на фиг.1.

Расчет возможностей устройства по обнаружению воздушных объектов предлагаемым способом реализован, когда устройство фиг.3 работает во втором режиме. Определение местоположения воздушного объекта сводится к расчету дальности действия по методу, который используется при расчете дальности для бистатической РЛС. При этом дальность обнаружения цели зависит от ее положения относительно устройства и источника электромагнитных сигналов. Она рассчитывается через параметр обнаружения q и коэффициент корреляции ρ. Для колокольной апроксимации амплитудно-частотных характеристик радиочастотных цепей приемника и при одинаковой их полосе П приема, значение параметра обнаружения q определяется выражением [1, стр. 509 (11)] как

где П - ширина частотной полосы приема,

Т - время интегрирования, причем произведение ПT>>1,

ρ - коэффициент корреляции сигнала, отраженного от цели, и сигнала, принятого опорным каналом на входе коррелятора.

При условии, что разность расстояний Δr, пройденная сигналами, скомпенсирована, коэффициент корреляции сигналов от источника излучения и отраженного от цели определяется выражением [там же, стр. 507 (3)] как

где No - мощность внутренних шумов в приемных каналах;

Ро - мощность сигнала от передатчика в опорном канале;

Рц - мощность сигнала, переотраженного от цели, в приемном канале.

Ожидаемые мощности сигналов в каналах можно оценить исходя из дальности до воздушного объекта, его эффективной площади рассеивания и технических характеристик приемного тракта устройства.

В расчетах принимается, что воздушный объект или контрольный местный предмет находится в максимуме диаграммы направленности антенны целевого канала, источник излучения - в максимуме диаграммы направленности опорного канала, а неоптимальность обработки учитывается поправочным коэффициентом при определении требуемого коэффициента корреляции. Расчет дальности обнаружения воздушного объекта при работе устройства во втором режиме осуществляется в следующей последовательности:

1) рассчитывается мощность сигнала от одного источника излучения на входе приемного устройства 2 фиг.1 [там же, стр. 426 (3)] как

где Rl - расстояние от источника излучения до приемного устройства;

Р_ПАП - спектральная плотность мощности источника излучения типа постановщика активных помех, определяемая как отношение мощности передатчика к ширине его энергетического спектра;

А_ЭФ - эффективная площадь приемной антенны;

G_П - коэффициент усиления антенны у ПАП;

2) определяется значение параметра обнаружения q для принятой вероятности правильного обнаружения D=0,5 и вероятности ложной тревоги F=10^-4 по графику, показанному в [1, рис.3.53, стр. 162];

3) преобразовав формулу (10), рассчитывается минимальный коэффициент корреляции опорного сигнала и сигнала, отраженного от цели, требуемый для обнаружения

где Т - время наблюдения за областью пространства,

k - поправочный коэффициент, учитывающий неоптимальность обработки по результатам моделирования (находится в пределах 1,1-1,3);

4) минимальная мощность сигнала в целевом канале, достаточная для обнаружения, рассчитывается по формуле (11), преобразованной к виду

где No - мощность внутренних шумов приемного устройства, определяемая как

где k=1,38×10^{-23 Дж}/_К - постоянная Больцмана;

То - физическая температура антенны в Кельвинах;

t_A - приведенная температура антенны;

5) максимальная дальность обнаружения передатчика 1, излучающего случайно модулированные сигналы, показанного на фиг.1, определяется максимально возможным удалением от контрольного местного предмета и рассчитывается в соответствии с выражением

где Б - база системы измерения, которая составляет расстояние от устройства до контрольного местного предмета;

σ _КПМ - эффективная отражающая поверхность контрольного местного предмета;

6) если в соответствии с формулой (16) возможно определение местоположения источника излучения, т.е. источник излучения 1 (фиг.4) находится ближе к приемному устройству 2, чем рассчитанная максимальная дальность обнаружения R2, то рассчитывается максимальная дальность обнаружения воздушного объекта 3, показанного на фиг.2, в соответствии с выражением

где Rl - расстояние от источника излучения до воздушного объекта;

σ _Ц - эффективная отражающая поверхность (ЭОП) цели.

Для численной оценки возможности устройства обнаружения воздушных объектов в качестве исходных данных возмем технические характеристики типовых РЛС, которые соответствуют первому режиму работы устройства:

время наблюдения за областью пространства Т=10^-4 С;

эффективная площадь приемной антенны А_ЭФ=7,5×10³ м²;

коэффициент различимости υ=2;

средняя мощность зондирующего сигнала Р_рлс=100 кВт;

коэффициент усиления антенны G=10⁵;

время обзора пространства t_ОБЗ=10 С;

количество импульсов, накапливаемых для обнаружения М=20;

эффективная отражающая поверхность воздушного объекта 3 без учета ее увеличения σ _Ц=10 м²;

удаление воздушного объекта 3 от источника излучения 1 (фиг.5) R₁=100 км;

коэффициент шума приемного устройства К_ш=5;

эффективная ширина спектра зондирующего сигнала П=0,3 МГц;

коэффициент усиления антенны источника излучения 1 (фиг.2) G_П=5;

коэффициент подавления помехи η=10 дБ при приеме ее по главному лучу диаграммы направленности антенны G_ГЛ=1;

коэффициент подавления помехи η=30 дБ при ее приеме по главному лучу диаграммы направленности антенны G_БЛ=-25 дБ.

Исходные данные, учитывающие работу устройства во втором режиме:

эффективная отражающая поверхность контрольного местного предмета σ _КМП=50 м²;

полоса приема П=3 МГц;

вероятность правильного обнаружения D=0,5;

вероятности ложной тревоги F=10^-4;

параметр обнаружения q=4,957;

источник излучения случайно модулированного сигнала находится на дальности Б=200 км;

спектральная плотность мощности источника излучения Р_П=1 кВт/МГц;

коэффициент усиления антенны источника излучения G_П=5.

Дальность обнаружения устройства при работе его в третьем режиме определяется излученной мощностью передатчика устройства 2 и мощностью источника излучения шума 1 (фиг.2). Они суммируются в корреляторе основного канала 11, поэтому дальность обнаружения и определения местоположения воздушного объекта будет равна сумме дальностей обнаружения в первом и во втором режимах, при прочих равных условиях.

График зависимости дальности обнаружения и определения местоположения передатчика случайно модулированных сигналов 1 (фиг.1) от мощности сигнала, рассчитанный по формулам (10)-(17), приведен на фиг.4. Он характеризует возможности устройства по обнаружению воздушных объектов, с расположенным на борту передатчиком случайно модулированных сигналов, т.е. при самопрекрытии активной шумовой помехой. На графике пунктиром показана зависимость дальности обнаружения от мощности источника излучения для первого режима, точками показан график дальности обнаружения во втором режиме и сплошной линией показан график дальности обнаружения в третьем режиме.

Возможности устройства по обнаружению воздушного объекта 3, который облучает передатчик случайно модулированных сигналов 1 (фиг.2), показаны на графике фиг.5. На нем пунктиром показана зависимость дальности обнаружения от мощности источника излучения для первого режима, точками показан график дальности обнаружения во втором режиме и сплошной линией показан график дальности обнаружения в третьем режиме.

Из приведенных графиков видно, что лучшими возможностями обнаружения и определения местоположения обладает третий режим работы устройства, который использует энергию как зондирующего сигнала, так и энергию передатчика случайно модулированных сигналов.

Таким образом, применение предлагаемого изобретения позволит увеличить дальность обнаружения воздушных объектов за счет использования электромагнитной энергии активных маскирующих помех от передатчика случайно модулированных сигналов. При этом область эффективного применения предлагаемого способа обнаружения воздушных объектов определяется графиком “режим 2”, приведенном на фиг.5, и находится в зависимости от мощности излучения передатчика случайно модулированных сигналов. Причем, чем больше мощность активной маскирующей помехи, тем больше дальность обнаружения воздушного объекта, в отличие от прототипа, имеющего обратную зависимость, показанную на графике “режим 1” фиг.5.

С целью проверки возможности практической реализации предлагаемого способа обнаружения и определения местоположения воздушных объектов проведено моделирование работы устройства, показанного на фиг.3, при обработке цифровых моделей шумовых сигналов.

Модель шумового сигнала в цифровом виде должна удовлетворять ряду требований:

1. Быть адекватной реальному шумовому сигналу, т.е. изменяться по случайному закону.

2. Иметь возможность задавать параметры шумового сигнала, дисперсию, коэффициент корреляции, частотную полосу приема, при этом автокорреляционная функция должна быть кнопочного вида.

3. Позволять осуществлять частотный и временной сдвиг так, как это происходит при реальном отражении сигнала от цели.

Цифровая модель предполагает наличие ряда чисел, которые дискретно характеризуют изменение реального сигнала. Частота дискретизации должна удовлетворять теореме Котельникова

где f_max - максимальная частота гармонической составляющей.

Если обработка осуществляется на видеочастоте, то частота дискретизации

где П - полоса приема сигнала.

В связи с тем, что любой сигнал можно разложить на синусные и косинусные составляющие, т.е. подвергнуть преобразованию Фурье, то и шумовой сигнал можно представить как сумму гармоник, имеющего случайные параметры: амплитуды, частоты и фазы, которые изменяются по случайному закону. В общем виде математическая запись шумового сигнала выглядит следующим образом:

где t - время;

n - количество гармонических составляющих;

f_д - доплеровский сдвиг частоты;

τ - временной сдвиг или задержка сигнала относительно опорного;

а_i - амплитуда i-ой гармоники;

f _i - частота i-ой гармоники;

f_нес - средняя несущая частота сигнала;

ϕ _i - фаза i-ой гармоники.

Эти параметры находятся во взаимосвязи с параметрами движения и местоположения воздушного объекта и носят детерминированный характер. В частности, f _д - доплеровский сдвиг частоты, характеризует радиальную составляющую движения воздушного объекта относительно источника электромагнитных излучений, τ - временной сдвиг или задержка сигнала относительно опорного, определяет разность расстояний от источника излучения и переотраженного от цели, t - время, характеризующее продолжительность наблюдения за данной областью пространства и f_нес - средняя несущая частота сигнала. Кроме детерминированных параметров в формуле (20) присутствуют и параметры, изменяющиеся по случайному закону, которые имеют различный вид распределения случайных величин: n - количество составляющих гармоник, определяет дисперсию сигнала и его корреляционные свойства: f_i - случайная реализация i-ой составляющей частоты, изменяющаяся по нормальному закону. Причем полоса пропускания приемного тракта, в данном случае, определяет дисперсию закона распределения, а нормальный закон и математическое ожидание (МОЖ) в случайном распределении характеризуют АЧХ (амплитудно-частотная характеристика) приемного тракта; a _i – случайная реализация i-ой составляющей амплитуды, изменяющаяся по нормальному закону. МОЖ определяет мощность сигнала, а дисперсия характеризует корреляционные свойства сигнала; ϕ _i - случайная реализация i-ой составляющей начальной фазы гармонической составляющей, распределенной по равномерному закону от 0 до 2·π.

Вариант цифровой модели шумового сигнала приведен на фиг.6, где x(t, 0, 0) - функция изменения амплитуды сигнала во времени при нулевом частотном и временном параметре сдвига. Дисперсия модели должна соответствовать ожидаемой мощности сигнала на входе приемника. Это возможно, если принять дисперсию амплитуды i-ой гармоники при нормальном распределении, равной

где Ро - расчетная мощность сигнала;

n - количество гармонических составляющих в модели, описанной выражением (20).

Автокорреляционная функция сигнала вычисляется в соответствии с выражением [1, стр. 333 (10)] как

Автокорреляционная функция во временной области, соответствующая модели сигнала (фиг.6), приведена на фиг.7а, в частотной области приведена на фиг.8.

Из анализа графиков, показанных на фиг.7 и 8, видно, что ширина пика АКФ по временной оси соответствует заданной точности определения времени задержки

что соответствует 100 м по дальности. По частотной оси ширина пика АКФ определяется как

Таким образом, заданная модель адекватно отражает свойства шумового сигнала в соответствии с параметрами случайного процесса. Ее АКФ носит кнопочный характер и позволяет варьировать амплитудой, временем запаздывания и доплеровской добавкой к частоте, моделируя переотраженный сигнал от реальной воздушной цели.

Модель, отражающая возможность практической реализации предлагаемого способа, должна соответствовать физическим процессам, происходящим в устройстве, позволяющем осуществить этот способ. Устройство обнаружения, показанное на фиг.3, представляет собой совокупность элементов, функционально связанных между собой в соответствии с последовательностью решения задач. Реальные устройства накладывают на возможности по обработке сигналов ряд существенных ограничений, которые определяются физическими возможностями их реализации. Эти ограничения составляют комплекс технических характеристик устройства. Основными из них являются коэффициент шума приемника К_Ш, динамический диапазон приемника, точность установки регулирующих и следящих устройств.

Решение об обнаружении воздушного объекта осуществляется на основе анализа корреляционного интеграла двух случайных сигналов. При этом возникают три задачи, требующие решения в различных устройствах:

1) разделить мощный сигнал от ПАП и слабый сигнал от цели при обеспечении качественного приема опорного сигнала от ПАП и от цели;

2) вычислить корреляционный интеграл или весовую сумму;

3) проанализировать полученный корреляционный интеграл статистическими методами и принять решения о наличии или отсутствии отраженного сигнала.

В связи с тем, что принимаемый сигнал от постановщика активных маскирующих помех или другого источника электромагнитных сигналов заранее неизвестен, наиболее целесообразным является исследование возможности приема шумового сигнала (ШС). При этом наиболее важными параметрами ШС являются коэффициент корреляции и дисперсия, характеризующая энергетические соотношения сигнала и собственных шумов приемного устройства. Особенность заключается в том, что коэффициент корреляции, в первой части устройства, показывает на сколько схожи сигналы, принимаемые боковыми лепестками ДНА, и сигнал, принимаемый опорным каналом, с целью их качественного разделения. Во второй части происходит задержка во времени опорного сигнала и вычисляется значение корреляционного интеграла в каждом разрешаемом дискрете для установленной полосы приема (19). Последовательная задержка опорного сигнала должна обеспечивать параллельное наблюдение за всей областью пространства на данном направлении ДНА.

Учет внутренних шумов устройства и влияние помехи возможно на этапе моделирования исходного сигнала на входе устройства. Таким образом, сигнал на входе основного канала примет вид в соответствии с выражением

где у_ц - сигнал, отраженный от цели;

х_о - сигнал от (ПАП);

n_ц - внутренние шумы приемного тракта целевого канала;

G_БЛ - уровень приема сигнала от источника излучения шума (ПАП) по боковым лепесткам ДНА.

Аналогично записывается выражение для сигнала, принятого от передатчика случайно модулированных сигналов в дополнительном канале

где n_o - внутренние шумы приемного тракта опорного канала.

При этом внутренние шумы должны быть не коррелированы между собой, а мощности составляющих сигналов, определяемые в соответствии с выражениями 12, 14, 15, должны соответствовать дисперсии модели. Таким образом, формулы (25) и (26) позволяют учитывать внутренние шумы устройств обработки и влияние помехи, воздействующей по боковым лепесткам ДНА.

Требования к динамическому диапазону лежали в основе синтеза устройства. При составлении программы обработки это требование учитывалось проверкой соотношения дисперсии полезного сигнала, отраженного от цели, к дисперсии сигнала на входе устройства. Для устройства вычитания в диаграммообразующей схеме динамический диапазон не ограничен, но учитывается ошибка установки блока отбора мощности 14 (фиг.3) в пределах 1%, которая обеспечивает ограниченный динамический диапазон в 30 дБ для нормальной работы аналого-цифрового преобразователя. Коррелятор для нормальной работы должен иметь ограничение на уровне 10 дБ, что обеспечивается автокомпенсатором 10, который осуществляет вычитание коррелированных составляющих сигнала в основном канале до уровня сопоставимого с внутренними шумами приемника (с возможным превышением в 2-3 раза). Программа, моделирующая работу устройства, описанная с помощью программного обеспечения “MathCad Professional 2000”, приведена на фиг.9.

Автокорреляционная функция модели шумового сигнала, принятого дополнительным каналом, показана пунктиром на фиг.10. Эти графики характеризуют автокорреляционные функции сигнала со сдвигом временного параметра r на 40 разрешаемых дискрет дальности и определяют максимально достижимые возможности для модели сигнала при вычислении корреляционной функции, т.е. являются оптимальными для рассматриваемой модели шумового сигнала. Сплошной тонкой линей на фиг.10 показан график, характеризующий корреляционную функцию сигнала с частично скомпенсированной помехой, которая проникает в коррелятор основного канала 11 от источника излучения шума. На нем четко выделяются два максимума функции в области значения параметра r=0 и r=30. Наложение двух корреляционных функций приводит к увеличению боковых всплесков от максимума функции и нарушению ее симметричности. Например, если для оптимальной корреляционной функции отношение максимума функции к максимальному значению боковых лепестков составляет 3.1, то при наличии коррелированной помехи это соотношение уменьшается до 2.3. Таким образом, возникает необходимость окончательной компенсации коррелированной помехи в основном канале после вычисления корреляционного интеграла коррелятором 11. Окончательная компенсация коррелированной помехи осуществляется в блоке вычитания 12. На первый вход блока вычитания подаются значения корреляционной функции, вычисленные коррелятором основного канала 11, на второй вход подаются значения автокорреляционной функции сигнала, вычисленные корреляторами дополнительного канала 22. При этом от каждого значения корреляционной функции, вычисленного коррелятором основного канала 11, вычитается соответствующее значение автокорреляционной функции, вычисленной коррелятором дополнительного канала 22 с нулевым сдвигом частотно-временного параметра.

Результат вычитания на выходе блока вычитания 12 (фиг.3) приведен на фиг.10 толстой сплошной линией. Выходная реализация корреляционной функции на выходе блока вычитания 12, полученная в результате моделирования работы всего устройства, показана сплошной линией. На этом графике отсутствует пиковое значение функции с r=0 и видно, что она более приближена к оптимальной корреляционной функции опорного сигнала, показанной пунктиром, чем корреляционная функция с выхода коррелятора основного канала 11, показанной тонкой сплошной линией.

На выходе блока вычитания 12 отношение максимума корреляционной функции к ее боковым лепесткам в результате улучшается до 2.8.

Модельные исследования показывают, что потери при вычислении корреляционной функции, связанные с неоптимальностью обработки и наличием внутренних шумов устройства, не превышают 10%.

После вычисления корреляционной функции в просматриваемой области пространства ее значения с блока вычитания 12 поступают на обнаружитель 13, где осуществляется принятие решения об обнаружении сигнала от цели (контрольного местного предмета) и определяется номер коррелятора, имеющего максимальное значение. По номеру коррелятора определяются параметры частотно-временного рассогласования обнаруженного сигнала. Это значение с выхода обнаружителя 13 подается на вычислительное устройство 20, где в соответствии с выражением 3 определяется наклонная дальность до воздушного объекта (фиг.2) или источника излучения (фиг.1). Место их положения определяется по угловому положению диаграммы направленности и вычисленной по выражению 3 наклонной дальности.

Алгоритмическая модель работы устройства приведена в конце описания.

Источник информации

1. Теоретические основы радиолокации./Под ред. Я.Д.Ширмана. - М.: Сов. радио, 1970 г. (аналог - стр. 9, рис.1.3 (а); прототип - стр. 367, рис.6.40 и стр. 432, рис.7.6).

Формула изобретения

Способ обнаружения и определения местоположения воздушного объекта по отраженному радиосигналу, заключающийся в излучении зондирующего радиосигнала передатчиком, приеме основным приемником отраженного эхо-сигнала от воздушного объекта, приеме дополнительным приемником сигнала активной шумовой помехи от передатчика случайно модулированных сигналов, автокомпенсации принятой случайно модулированной помехи в основном приемнике, дополнительно осуществляется двухэтапная корреляционная обработка сигналов, принятых основным и дополнительным приемниками для обнаружения переотраженного от воздушного объекта сигнала, излученного передатчиком случайно модулированных сигналов, при этом на первом этапе осуществляется поиск, обнаружение и определение местоположения передатчика излучающего случайно модулированные сигналы, для этого с помощью фазированной антенной решетки создаются две диаграммы направленности с совмещенными фазовыми центрами, первая диаграмма направленности, формирующая дополнительный канал приема, осуществляет поиск и пеленгацию передатчика случайно модулированных сигналов, а вторая диаграмма направленности, формирующая основной канал приема, направляется на контрольный местный предмет с известными координатами, при этом сигнал, принятый от передатчика случайно модулированных сигналов, и сигнал, отраженный от контрольного местного предмета, подвергаются корреляционной обработке с целью определения разности пройденных ими расстояний, при этом наклонная дальность до передатчика случайно модулированных сигналов определяется выражением

где Б - база, известное расстояние от основного приемника до контрольного местного предмета;

β - азимутальный угол между направлением на передатчик случайно модулированных сигналов и линией, направленной на контрольный местный предмет;

ε - угол места передатчика случайно модулированных сигналов;

Δr - разность расстояний пройденных сигналами от передатчика случайно модулированных сигналов и переотраженного от контрольного местного предмета,

а местоположение передатчика случайно модулированных сигналов, излучающего активную шумовую помеху, определяется направлением диаграммы направленности антенны, формирующей дополнительный канал приема, и наклонной дальностью, вычисленной по приведенному выше выражению, на втором этапе осуществляется поиск, обнаружение и определение местоположения воздушного объекта, для этого первая диаграмма направленности, формирующая дополнительный канал приема, остается направленной на передатчик случайно модулированных сигналов, а вторая диаграмма направленности, формирующая основной канал приема, осуществляет поиск воздушного объекта, при этом сигнал, принятый от передатчика случайно модулированных сигналов, и сигнал, отраженный от воздушного объекта, подвергаются, как и на предыдущем этапе, корреляционной обработке с целью его обнаружения и определения разности пройденных ими расстояний, наклонная дальность до воздушного объекта определяется выражением:

но в отличие от предыдущего этапа параметрами в выражении являются:

Б₁ - база, расстояние от передатчика случайно модулированных сигналов до основного приемника;

β ₁ - азимутальный угол между направлением на воздушный объект и направлением на передатчик случайно модулированных сигналов;

ε ₁ - угол места между направлением на воздушный объект и направлением на передатчик случайно модулированных сигналов,

Δr ₁ - разность расстояний, пройденных сигналами от передатчика случайно модулированных сигналов и переотраженного от воздушного объекта,

тогда местоположение воздушного объекта определяется направлением диаграммы направленности антенны, формирующей основной канал приема, и наклонной дальностью, вычисленной по приведенному выше выражению.

РИСУНКИ