Устройство адаптивного управления спектральными характеристиками рассеяния радиолокационного объекта
Владельцы патента RU 2319167:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (RU)
Секция прикладных проблем при Президиуме РАН (RU)
Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для снижения радиолокационной заметности объекта. Достигаемым техническим результатом является улучшение качества радиопротиводействия РЛС противника путем полуактивного адаптивного управления спектральными характеристиками рассеяния защищаемого объекта. Устройство включает в себя блок управления, базу знаний, бортовую станцию радиоразведки и многоканальный генератор управляющих сигналов, N управляемых нелинейных радиолокационных отражателей, соединенных определенным образом. В режиме адаптации устройство обеспечивает минимум интенсивностей спектральных составляющих рассеянного поля на частотах облучения путем подачи на управляемые нелинейные радиолокационные отражатели воздействий, формируемых многоканальным генератором управляющих сигналов, параметры которых определяются блоком управления на основании находящейся в базе знаний информации, накапливаемой в режиме обучения. В качестве управляющего сигнала для управляемых нелинейных радиолокационных отражателей может быть использован сигнал, представляющий собой аддитивную смесь постоянного напряжения смещения и монохроматического колебания частотой, большей предполагаемой полосы пропускания приемника РЛС противника, либо сигнал, приводящий к появлению новых спектральных составляющих в полосе приемника, разрушению закона модуляции отклика согласованного фильтра РЛС противника и существенному снижению отношения сигнал/шум на его выходе. 2 з.п. ф-лы, 14 ил., 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для снижения радиолокационной заметности объекта.
Известно устройство «Настраиваемый поглотитель» (патент США №US 3309704, 1967 год), применяемое для радиолокационной маскировки объектов и включающее управляемое покрытие, представляющее собой четвертьволновой поглотитель, настраиваемый на частоту облучения с помощью изменения во времени электрической толщины покрытия, а также средства для определения частоты облучения объекта, датчик температуры, цепь обратной связи, компьютер и банк памяти, содержащий параметры воздействия, управляющего покрытием.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются средства определения частоты облучения (в заявляемом устройстве - бортовая станция радиоразведки) и банк памяти (в заявляемом устройстве - база знаний).
Причиной, препятствующей получению технического результата, является использование настраиваемого четвертьволнового поглотителя, не позволяющего осуществлять управление спектральными характеристиками электромагнитного (ЭМ) поля, рассеянного маскируемым объектом.
Известно также устройство «Широкополосный пассивный имитатор движущейся цели (патент США №US 6559790, 2003 год), применяемое для электрической имитации объектов путем генерации доплеровских частот, состоящее из уголкового отражателя, закрытого цепочками из pin-диодов. Каждая цепочка имеет собственную фиксированную частоту переключения.
Признаком аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого устройства, является радиолокационный отражатель, осуществляющий преобразование спектра рассеянного поля.
Причинами, препятствующими получению технического результата, являются малая эффективность преобразования частоты, невозможность управления спектральными характеристиками отраженного поля и отсутствие адаптации устройства к изменяющимся условиям облучения.
Из известных решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Устройство, предназначенное для снижения уровня отраженного электромагнитного поля», описанное в патенте №GB 2322260, МКИ G01S 7/36 7/38, 1984 год. Устройство содержит моноимпульсный приемник радиоимпульсов РЛС противника, определяющий углы облучения объекта; средства изменения амплитуды и фазы принятых радиоимпульсов (управляемый фазовращатель, управляемый аттенюатор) и средства переизлучения этих радиоимпульсов в сторону РЛС противника (циркулятор, усилитель, антенну). Указанное устройство также включает в себя базу знаний, содержащую информацию о необходимых изменениях амплитуды и фазы радиоимпульсов.
Работа устройства заключается в изменении амплитуды и фазы принятых радиоимпульсов таким образом, чтобы создаваемое при их переизлучении ЭМ поле компенсировало отраженное от объекта поле в направлении на РЛС. То есть амплитуда поля, переизлучаемого устройством-прототипом, равна амплитуде рассеянного на объекте поля, а фаза сдвинута на π. Для каждого угла облучения значения амплитуд и фаз переизлучаемых радиоимпульсов заданы априорно математическим выражением либо определяются экспериментально по критерию минимума рассеянного поля при облучении объекта «своей» РЛС и хранятся в базе знаний.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются моноимпульсный приемник (в заявляемом устройстве - бортовая станция радиоразведки) и база знаний.
Причины, препятствующие получению технического результата, заключаются в следующем: устройство сложное, имеет большие габариты и массу, что нежелательно для летательного аппарата; для работы во всем диапазоне углов облучения одного устройства недостаточно, необходимо использовать несколько аналогичных устройств, установленных на «блестящих точках» (БТ) объекта; переизлучение зондирующего сигнала демаскирует объект в направлениях, отличных от направления на РЛС противника; применение приемо-передающей антенны, циркулятора, аттенюатора, фазовращателя и усилителя ограничивает диапазон рабочих частот прототипа; невозможности управления спектральными характеристиками отраженного поля.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, состоит в улучшении качества радиопротиводействия РЛС противника путем полуактивного адаптивного управления спектральными характеристиками рассеяния защищаемого объекта.
Технический результат достигается тем, что в устройство адаптивного управления спектральными характеристиками рассеяния радиолокационного объекта, содержащее бортовую станцию радиоразведки, базу знаний, имеющее два режима работы: режим обучения и режим адаптации, введен блок управления, подключенный к базе знаний, вход которого соединен с выходом бортовой станции радиоразведки, многоканальный генератор управляющих сигналов, вход которого подключен к блоку управления, а выходы - к управляемым нелинейным радиолокационным отражателям; обеспечивающее в режиме адаптации минимум интенсивностей спектральных составляющих рассеянного поля на частотах облучения путем подачи на управляемые нелинейные радиолокационные отражатели воздействий, формируемых многоканальным генератором управляющих сигналов, параметры которых определяются блоком управления на основании находящейся в базе знаний информации, накапливаемой в режиме обучения, использующее в качестве управляющего сигнала для управляемых нелинейных радиолокационных отражателей сигнал, представляющий собой аддитивную смесь постоянного напряжения смещения и монохроматического колебания частотой, превышающей значение ширины предполагаемой полосы пропускания приемника РЛС противника, либо сигнал специальной формы, что приводит к появлению новых спектральных составляющих в полосе приемника и, при использовании сложных зондирующих сигналов с большой базой, разрушению закона модуляции отклика согласованного фильтра РЛС противника и существенному снижению отношения сигнал/шум на его выходе.
Предлагаемое изобретение поясняется следующими фигурами:
Фигура 1 - Структурная схема устройства адаптивного управления спектральными характеристиками рассеяния радиолокационного объекта. В состав заявляемого устройства входят:
1i - i-й управляемый нелинейный радиолокационный отражатель (УНРО),
2 - многоканальный генератор управляющих сигналов,
3 - блок управления,
4 - база знаний,
5 - бортовая станция радиоразведки.
Фигура 2 - Устройство адаптивного управления спектральными характеристиками рассеяния радиолокационного объекта в режиме адаптации, где 6j - j-я РЛС противника.
Фигура 3 - Устройство адаптивного управления спектральными характеристиками рассеяния радиолокационного объекта в режиме обучения и система измерения радиолокационных характеристик. На фигуре 3 введены обозначения:
7 - РЛС полигона,
8 - блок измерения РЛХ объекта и управления РЛС полигона,
9 - база знаний РЛХ.
Фигура 4 - Макет устройства адаптивного управления спектральными характеристиками рассеяния радиолокационного объекта и системы измерения радиолокационных характеристик:
10 - радиолокационный измерительный стенд безэховой камеры (БЭК),
11 - блок сопряжения,
12 - персональный компьютер (ПК),
13 - база знаний,
14 - программа управления,
15 - программа-анализатор спектра,
16 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП),
17 - программа-генератор управляющих сигналов,
18 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
Фигура 5 - Конструкция макета УНРО.
Фигуре 6 - Включение диода в макете УНРО.
Фигура 7 - Вольтамперная характеристика диода ГА501Д.
Фигура 8 - Зависимость уровня сигнала, пропорционального плотности мощности рассеянного поля на частоте облучения ω10 от напряжения смещения (при ω10=2π·2.8, 2π·3.0 и 2π·3.2 ГГц).
Фигура 9 - Зависимости уровней сигналов, пропорциональных плотностям мощности спектральных составляющих рассеянного поля на частотах ω10, ω12 и ω13 от напряжения смещения (при ω10=2π·2.8 ГГц).
Фигура 10 - Зависимости относительных плотностей мощности спектральных составляющих рассеянного поля на частотах ω11, ω12 и ω13 от напряжения смещения (при ω10=2π·2.8 ГГц).
Фигура 11 - Зависимости уровней сигналов, пропорциональных плотностям мощности спектральных составляющих рассеянного поля на частотах ω11, ω12 и ω13 от напряжения смещения (при ω10=2π·3 ГГц).
Фигура 12 - Зависимости относительных плотностей мощности спектральных составляющих рассеянного поля на частотах ω11, ω12 и ω13 от напряжения смещения (при ω10=2π·3.0 ГГц).
Фигура 13 - Зависимости уровней сигналов, пропорциональных плотностям мощности спектральных составляющих рассеянного поля на частотах ω11, ω12 и ω13 от напряжения смещения (при ω10=2π·3.2 ГГц).
Фигура 14 - Зависимости относительных плотностей мощности спектральных составляющих рассеянного поля на частотах ω11, ω12 и ω13 от напряжения смещения (при ω10=2π·3.2 ГГц).
Работа предлагаемого устройства поясняется нижеследующим описанием. Управляемые нелинейные радиолокационные отражатели (конструкция которых выполнена на основе нелинейных элементов - например, полупроводниковых диодов) 1i устанавливаются на корпусе защищаемого объекта и закрывают БТ. Каждый УНРО 1i работает в определенном секторе углов места и азимутальных углов 
. Конструкция УНРО 1i, выбирается из соображений максимально эффективного переноса энергии падающего поля с основной на комбинационные частоты, диапазона рабочих частот и геометрии БТ, на которой он расположен. Таким образом, диапазон рабочих частот системы определяется только конструкцией УНРО 1i и может быть достаточно большим.
В устройстве реализованы два режима работы: режим адаптации и режим обучения. В режиме адаптации бортовая станция радиоразведки 5 передает блоку управления 3 данные об угловых координатах θj, ϕj j-й РЛС противника 6j относительно защищаемого объекта и данные о мгновенной частоте облучающего поля ωj (данные о текущих условиях облучения). Для каждого УНРО 1i, в диапазон рабочих углов которого попадает направление на РЛС противника 6j (т.е. θ1i≤θj≤θ2i и ϕ1i≤ϕj≤ϕ2i), блок управления 3 выбирает из базы знаний 4 параметры управляющего воздействия, соответствующие текущим условиям облучения и обеспечивающие минимум отраженного сигнала на частоте падающего поля. Они передаются на многоканальный генератор управляющих сигналов 2, к выходам которого подключаются УНРО 1i. В качестве управляющего сигнала может быть использована, например, аддитивная смесь постоянного напряжения смещения UСМ и монохроматического колебания частотой Ω, большей предполагаемой ширины полосы пропускания приемника РЛС противника 6j. Под воздействием управляющего сигнала на нелинейных элементах УНРО происходит преобразование спектра рассеянного поля и перенос части его мощности на частоты ωmn=mω±n Ω (где m, n=0, ±1, ±2...), находящиеся за пределами полосы пропускания приемника РЛС противника.
Также управление может осуществляться сигналами специальной формы, что приводит к появлению новых спектральных составляющих в полосе приемника и, при использовании сложных зондирующих сигналов с большой базой, разрушению закона модуляции отклика согласованного фильтра РЛС противника и существенному снижению отношения сигнал/шум на его выходе.
Режим обучения устройства используется для заполнения базы знаний 4 в процессе полигонных испытаний. При этом заявляемое устройство подключается к системе измерения радиолокационных характеристик, которая включает в себя РЛС полигона 7, блок измерения РЛХ объекта и управления РЛС полигона 8, базу знаний РЛХ 9 (фиг.3).
Блок измерения РЛХ объекта и управления РЛС полигона 8 перехватывает управление устройством адаптивного управления спектральными характеристиками рассеяния радиолокационного объекта. Он задает блоку управления 3 параметры управляющих сигналов для УНРО 1, формирует команды изменения условий облучения объекта для полигонной РЛС 7, а также получает информацию о текущих значениях измеряемых характеристик рассеяния объекта и заносит их в базу знаний РЛХ 9.
По окончании процесса измерений РЛХ производится анализ и обработка данных из базы знаний РЛХ 9, определяются параметры управляющих сигналов для каждого УНРО 1i, соответствующие каждому возможному условию облучения и обеспечивающие минимум отраженного сигнала. Эти параметры заносятся в базу знаний 4 и процесс обучения завершается.
Возможность достижения технического результата подтверждается тем, что авторами разработан и испытан макет устройства адаптивного управления спектральными характеристиками рассеяния радиолокационного объекта и системы измерения радиолокационных характеристик защищаемого объекта (фиг.4), в состав которого входит радиолокационный измерительный стенд БЭК 10 с непрерывным немодулированным излучением на частоте ω, нелинейный отражатель 1, блок сопряжения 11, ПК 12. ПК представляет собой программно-аппаратный комплекс, содержащий АЦП 16 и ЦАП 18. Программное обеспечение комплекса включает в себя базу знаний 13, программу управления 14, программу-анализатор спектра 15 и программу-генератор управляющих сигналов 17. Программа управления 14 посредством блока сопряжения 11 последовательно устанавливает ряд углов θ, ϕ и частот ω облучения УНРО 1, находящихся в заданных пределах [θmin; θmax], [ϕmin; ϕmax] и [ωmin; ωmax] соответственно. При каждых условиях облучения программа управления 14 посредством программы-генератора управляющих сигналов 17 последовательно формирует ряд управляющих воздействий, представляющих собой аддитивную смесь напряжения смещения UСМ и малого по амплитуде низкочастотного монохроматического колебания частотой Ω, подаваемых на ЦАП 18. С выхода ЦАП 18 управляющее напряжение через блок сопряжения 11 поступает на УНРО 1. УНРО рассеивает колебание частотой ω и излучает продукты нелинейного преобразования на частотах ωmn=mω±n Ω. В полосу пропускания приемной части радиолокационного измерительного стенда БЭК 10 попадают частоты только вблизи ω. С его выхода сигнал, содержащий информацию об уровне и спектральном составе рассеянного УНРО электромагнитного поля со спектральными составляющими частотой nω, поступает через блок сопряжения 11 на вход АЦП 16. Программное обеспечение комплекса 14, 15 производит анализ спектра оцифрованного сигнала и заносит в базу знаний 13 параметры управляющего воздействия, условия облучения и соответствующие им уровни спектральных составляющих принятого сигнала.
Используемый в макете УНРО 1 рассчитан на работу в диапазоне длин волн 10 см и представляет собой уголковый отражатель, на одной грани которого расположен петлевой вибратор длиной λ10/4 (фиг.5). В месте крепления к грани в разрез вибратора включен полупроводниковый переключательный диод ГА501Д (фиг.6). Управление спектральным составом поля, рассеянного УНРО, осуществляется посредством подачи на диод монохроматического сигнала частотой 1 кГц, амплитудой 50 мВ со смещением, изменяемым в диапазоне ±0.8 В.
Результаты работы макета для частот облучения 2,8 ГГц, 3,0 ГГц и 3,2 ГГц приведены на фиг.8-14 и в таблице 1.
| Таблица 1 | |||
| Частота облучения ω10, ГГц | 2.8 | 3.0 | 3.2 |
| Изменение уровня плотности мощности рассеянного | |||
| поля на частоте ω10, дБ | 4.0 | 4.6 | 13.5 |
| Максимальный уровень плотности мощности спектральных составляющих поля на комбинационных частотах относительно уровня спектральных составляющих на частоте ω10, дБ | |||
| второго порядка ω11 | -17 | -15.5 | -12.5 |
| третьего порядка ω12 | -26 | -28 | -21 |
| четвертого порядка ω13 | -32 | -33 | -27 |
Изменение уровня плотности мощности рассеянного поля на частоте облучения ω10 составляет от 4 дБ (на частоте 2.8 ГГц) до 13.5 дБ (на частоте 3.2 ГГц). Максимальный уровень плотности мощности спектральных составляющих поля на комбинационных частотах второго порядка составляет -12.5 дБ относительно уровня спектральных составляющих на основной частоте; третьего порядка - -21 дБ, четвертого - -27 дБ. Минимальный уровень плотности мощности спектральных составляющих поля на комбинационных частотах ограничен уровнем собственных шумов макета.
1. Устройство адаптивного управления спектральными характеристиками рассеяния радиолокационного объекта, содержащее бортовую станцию радиоразведки, базу знаний параметров управляющих сигналов, имеющее два режима работы - режим обучения и режим адаптации, отличающееся тем, что в него введен блок управления, предназначенный для выбора из базы знаний параметров управляющего воздействия, соответствующих текущим условиям облучения объекта и обеспечивающих минимум отраженного сигнала от объекта, и подключенный к указанной базе знаний, вход которого соединен с выходом бортовой станции радиоразведки, многоканальный генератор управляющих сигналов, вход которого подключен к указанному блоку управления, а выходы к управляемым нелинейным радиолокационным отражателям, с возможностью обеспечения в режиме адаптации минимума интенсивностей спектральных составляющих отраженного сигнала на частотах облучения радиолокационного объекта путем подачи на управляемые нелинейные радиолокационные отражатели воздействий, формируемых многоканальным генератором управляющих сигналов, параметры которых для каждого управляемого нелинейного радиолокационного отражателя анализируются и определяются на основании находящейся в базе знаний информации, накапливаемой в режиме обучения в процессе полигонных испытаний и задаваемой блоком измерения радиолокационных характеристик.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве управляющего сигнала для управляемых нелинейных радиолокационных отражателей используется сигнал, представляющий собой аддитивную смесь постоянного напряжения смещения и монохроматического колебания частотой, большей предполагаемой ширины полосы пропускания приемника радиолокационной станции (РЛС) противника.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве управляющего сигнала для управляемых нелинейных радиолокационных отражателей формируют сигнал с возможностью обеспечения появления новых спектральных составляющих отраженного сигнала в полосе приемника РЛС противника, разрушения закона модуляции отклика согласованного фильтра приемника РЛС противника и снижения отношения сигнал/шум на его выходе.
