СПОСОБ ЗАЩИТЫ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ С ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ ОТ ПАССИВНЫХ ПОМЕХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2004 года по МПК G01S7/36 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) с фазированной антенной решеткой (ФАР), работающих в условиях естественных и умышленных распределенных в пространстве пассивных помех (ПП) (метеообразований, дипольных и аэрозольных отражателей).

Известен способ защиты РЛС от ПП, использующий принцип селекции движущихся целей (СДЦ) на основе эффекта Доплера. В нем используются различия скоростей движения цели и источника пассивной помехи. ("Теоретические основы радиолокации", под ред. В.Е.Дудевича, М.: Сов. радио, 1978, стр.464-484). Способ заключается в излучении в одном направлении последовательности зондирующих импульсов, задержки принимаемых сигналов на время, равное периоду повторения импульсов, и в вычитании принятых сигналов смежных периодов.

Недостатком способа является подавление наряду с отражениями от распределенных в пространстве ПП отражений от точечных неподвижных или медленно движущихся радиолокационных объектов (мало скоростные дистанционно-пилотируемые летательные аппараты, зависшие и медленно движущиеся вертолеты, дрейфующие аэростаты и т.п.), в связи с чем такие цели практически не обнаруживаются. Кроме того, использование СДЦ требует значительных временных затрат и в связи с дефицитом импульсов может обеспечить защиту от ПП только в части зоны обзора РЛС.

Наиболее близкими техническими решениями (прототипом к способу и устройству) является способ и устройство (СДЦ), которые описаны в "Справочнике по радиолокации", под ред. М.Сколника, т.3, М.: Сов. радио, 1979 г., стр.281-284.

Известный способ защиты РЛС от ПП заключается в излучении в одном направлении последовательно во времени двух одинаковых зондирующих импульсов, задержки первого из принимаемых сигналов на время, равное периоду повторения импульсов, и сравнении величины, функционально зависящей от обоих принятых сигналов (разности принятых сигналов), с порогом, при превышении которого формируется сигнал о наличии цели.

Известное устройство (РЛС с СДД, фиг.1) содержит антенну 1, взаимосвязанную с антенным переключателем 2, вход которого соединен с выходом импульсного усилителя 3, а выход - с первым входом фазового детектора 4, высокочастотный генератор 5, выход которого соединен с входом импульсного усилителя 3 и вторым входом фазового детектора 4, линию задержки 6, вход которой соединен с выходом фазового детектора 4, сумматор 7, первый вход которого соединен с выходом фазового детектора 4, а второй вход - с выходом линии задержки 6, устройство сравнения 8, первый вход которого соединен с выходом сумматора 7, второй вход - с выходом ДЗУ 9, а выход является выходом РЛС.

Недостатком известных способа и устройства является подавление наряду с отражениями от распределенных ПП отражений от точечных неподвижных или медленно движущихся радиолокационных объектов, а также значительные временные затраты на помехозащиту.

Целью изобретения является, таким образом, повышение эффективности обнаружения РЛC с ФАР малоразмерных неподвижных и медленно движущихся целей, а также снижение временных затрат на помехозащиту.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе защиты РЛС с ФАР от ПП, заключающемся в излучении в одном направлении последовательно во времени двух одинаковых зондирующих импульсов, задержки первого из принимаемых сигналов на время, равное периоду повторения импульсов, и сравнении величины, функционально зависящей от обоих принятых сигналов, с порогом, при превышении которого формируется сигнал о наличии цели, согласно изобретению после первого зондирования смещают угловое положение луча ФАР на величину шага луча при обзоре относительно направления при первом зондировании, после приема обоих сигналов определяют значение отношения модуля разности амплитуд огибающих первого и второго принятых сигналов к их сумме, которое и сравнивают с порогом.

Увеличение эффективности обнаружения РЛС с ФАР малоразмерных неподвижных и медленно движущихся целей и снижение временных затрат на помехозащиту поясним следующим.

При работе РЛС существуют ситуации, когда в области осмотра (например, в стробе сопровождения) находится только один радиолокационный объект (цель или распределенная в пространстве ПП). В этом случае может быть использован рассматриваемый способ.

Каждая дискрета области осмотра зондируется два раза - лучом, направление которого совпадает с угловым положением дискреты, и склоном луча, направление которого отличается от основного на величину смещения по угловым координатам. При каждом зондировании измеряется амплитуда огибающей сигнала X_i, i=1, 2 и образуется величина:

Величина Z сравнивается с пороговым значением X_п, устанавливаемым в соответствии с требуемым уровнем подавления ПП, либо с допускаемыми потерями в обнаружении точечной цели (ТЦ). Превышение порога означает, что в данной дискрете обнаружена ТЦ.

Можно показать, что при равновероятном по координатам угол места ε и азимут β положении ТЦ в пределах ширины луча по уровню 0,5 по мощности, вероятность ее пропуска, т.е. вероятность события Z<Z_п, равна

где f(X₁, Х₂) - совместная плотность распределения вероятностей случайных величин Х₁ и Х₂ (значения амплитуд огибающих сигналов, принятых после первого и второго зондирований).

Принимая аппроксимацию главного лепестка ДНА по полю при первом зондировании в виде

G₁(ε ,β )=exp(-B(ε ²+β ²)), (2)

где B=2 ln 0.5Δ ε Δ β ,

Δ ε , Δ β - расстояние между направлениями зондирования (шаг луча), нормированное к ширине луча по уровню 0,5 по мощности (далее принято Δ =Δ ε =Δ β =1) при осмотре зоны обзора, величина отношения С/Ш по мощности на входе приемника при расположении ТЦ в точке с координатами ε , β определяется в виде:

Q₁(ε ,β )=q²G41

где q - отношение C/Ш при расположении ТЦ в максимуме ДНА.

Для второго зондирования аппроксимация главного лепестка ДНА может быть определена в виде:

G₂(ε ,β )=еxp(-B((ε -δ ε )²+(β -δ β )²)), (4)

где δ ε , δ β величины смещения по координатам ε и β ,

соответственно Q₂(ε ,β )=q²G42

Смещение основного лепестка может быть осуществлено как по любой из координат, так и по обеим координатам одновременно (δ ε =δ β =δ ).

Для распределенной в пространстве ПП (обозначим РЦ - распределенная цель) выражения (3), (5) принимают вид (протяженность РЦ более 2Δ ):

Q_i(ε ,β )=0,44q², i=1,2. (6)

При облучении радиолокационного объекта сигналом РЛС с ФАР с электронным сканированием интервал между зондирующими импульсами может быть обеспечен меньше интервала корреляции амплитуд, поэтому отраженные сигналы можно считать независимыми (за счет начальной фазы) и с известными амплитудами (Теоретические основы радиолокации. Ред. Я.Д.Ширман, М.: Сов. радио, 1970, стр.161), при этом совместная плотность распределения вероятностей случайных величин X₁ и X₂ записывается в виде произведения

f(X₁,X₂)=f(X₁) f(X₂), где

Результаты расчетов, проведенных в соответствии с выражением (I) с учетом (2)-(7) для ТЦ и РЦ, приведены на фиг.2.

Из полученных зависимостей вытекает следующее.

При смещении направления второго зондирования подавление (необнаружение) РЦ происходит в большей степени, чем ТЦ.

Увеличение смещения направления второго зондирования позволяет получить существенное подавление РЦ и обеспечить высокую вероятность обнаружения ТЦ.

Угловое смещение луча ФАР при втором зондировании целесообразно производить на величину, равную шагу перемещения луча по одной или по обеим координатам при осмотре зоны. В этом случае повторное зондирование может использоваться в качестве первого в следующем цикле защиты от ПП, а также для осмотра зоны. Этим достигается уменьшение временных затрат на помехозащиту.

Увеличение мощности сигнала приводит к улучшению селектирующих возможностей метода.

Для реализации предлагаемого способа в известное устройство (РЛС с СДЦ), содержащее антенну, взаимосвязанную с антенным переключателем, вход которого соединен с выходом импульсного усилителя, высокочастотный генератор, выход которого соединен с входом импульсного усилителя, линию задержки, устройство сравнения, выход которого является выходом РЛС и ДЗУ, выход которого соединен со вторым входом устройства сравнения, введены генератор импульсов, генератор тактовых импульсов, блок управления ДНА, приемник, детектор огибающей, первый и второй аналого-цифровые преобразователи и цифровой вычислитель. При этом выход генератора импульсов соединен с входами высокочастотного генератора, блока управления ДНА, выход которого соединен с антенной, и генератора тактовых импульсов, вход приемника соединен с выходом антенного переключателя, а выход - с входом детектора огибающей, выход которого соединен с входом линии задержки и с информационным входом первого АЦП, выход линии задержки соединен с информационным входом второго АЦП, синхровходы обоих АЦП соединены с выходом генератора тактовых импульсов, первый и второй входы цифрового вычислителя соединены с выходами соответствующих АЦП, а выход - с первым входом устройства сравнения.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что оба заявляемых технических решения соответствуют критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, что позволяет считать заявляемые технические решения, соответствующими критерию "существенные отличия".

На фиг.1 изображена блок-схема прототипа;

на фиг.2 - зависимость вероятности пропуска от значения порога;

на фиг.3 - блок-схема заявляемого устройства РЛС с ФАР.

Предлагаемое устройство РЛС с ФАР (фиг.3) содержит антенну 1, взаимосвязанную с антенным переключателем 2, вход которого соединен с выходом импульсного усилителя 3, высокочастотный генератор 5, выход которого соединен с входом импульсного усилителя 3, линию задержки 6, устройство сравнения 8, выход которого является выходом РЛС, и ДЗУ 9, выход которого соединен со вторым входом устройства сравнения 8, а также генератор импульсов 10, генератор тактовых импульсов 11, блок управления ДНА 12, приемник 13, детектор огибающей 14, первый и второй аналого-цифровые преобразователи 15 и 16 и цифровой вычислитель 17. При этом выход генератора импульсов 10 соединен с входом высокочастотного генератора 5, блока управления ДНА 12, выход которого соединен с антенной, и генератора тактовых импульсов 11, вход приемника 13 соединен с выходом антенного переключателя 2, выход - с выходом детектора огибающей 14, выход которого соединен со входом линии задержки 6 и с информационным входом первого АЦП 15, выход линии задержки 6 соединен с информационным входом второго АЦП 16, синхровходы обоих АЦП соединены с выходом генератора тактовых импульсов 11, первый и второй входы цифрового вычислителя соединены с выходами соответствующих АЦП, а выход - с первым входом устройства сравнения 8.

Предлагаемое устройство может быть выполнено на следующих функциональных элементах.

Антенна - ФАР с двумерным электронным сканированием (по азимуту и углу места) и с круговым механическим вращением (Справочник по радиолокации, под ред. С.Сколника, т.2, - М.: Сов. Радио, 1977).

Антенный переключатель - газоразрядного тала (там же, стр.42-46).

Импульсный усилитель - на лампе бегущей волны (Справочник по основам радиолокационной техники. М., 1967, стр.353-367).

Высокочастотный генератор - на многорезонаторном пролетном клистроне (там же, стр. 289-291).

Линия задержки - ультразвуковая (там же, стр.267-270).

Генератор импульсов - типа мультивибратора, работающего в автоколебательном режиме (там же, стр.232-235).

Генератор тактовых импульсов - типа мультивибратора, работающего в режиме синхронизации (там же, стр.232-235).

Приемник-супергетеродинного типа (там же, стр.343-344).

Детектор огибающей - амплитудный детектор (там же, стр.379-381).

Блок управления ДНА - вычислитель распределения электромагнитного поля на апертуре ФАР (Справочник по радиолокации, под ред. М.Сколника, т.2, - М.: Сов. радио, 1977, стр.69-92).

Цифровые и логические элементы могут быть выполнены на стандартных микросхемах (Интегральные микросхемы. Справочник под ред. Б.В.Тарабрина, - М.: Радио и связь, 1984):

АДП - К1107ПВ3;

устройство сравнения - K561СА1;

ДЗУ - К155РУ1.

Цифровой вычислитель - микроЭВМ (Аналоговые и цифровые интегральные схемы. Справочное пособие, под ред. С.В.Якубовского, - М.: Радио и связь, 1985).

Устройство работает следующим образом. Сигнал с высокочастотного генератора 5 при поступлении очередного импульса запуска от генератора импульсов 10 поступает на импульсный усилитель 3, на выходе которого форсируется зондирующий импульс, который через антенный переключатель 2 подается в антенну 1, в которой посредством блока управления ДНА 12 рассчитывается и вводится в ФАР распределение электромагнитного поля по апертуре, формирующее ДНА, максимум основного лепестка которой направлен в анализируемую точку зоны обзора РЛС, и излучается. Пока огибающая принятого антенной 1 сигнала X₁, прошедшего антенный переключатель 2, приемник 12 и детектор огибающей 14 находятся в линии задержки 6, с помощью генератора импульсов 10, высокочастотного генератора 5 и импульсного усилителя 3 формируется второй зондирующий импульс, который через антенный переключатель 2 подается в антенну 1, в которой посредством блока управления ДНА 12 рассчитывается и вводится в ФАР распределение электромагнитного поля по апертуре, формирующее ДНА, максимум основного лепестка которой направлен в точку зоны обзора РЛС, не совпадающую с направлением первого зондирования, и излучается. Огибающая второго сигнала Х₂, принятого антенной 1, прошедшего антенный переключатель 2, приемник 13 и детектор огибающей 14 и отгибающая сигнала с линии задержки 6, преобразованные в цифровую форму в АЦП 15 и 16 одновременно поступают в цифровой вычислитель 17, где определяется величина В устройстве сравнения 8 величина Z сравнивается с порогом Z_п, хранящимся в ДЗУ 9 и при его превышении на выходе устройства сравнения формируется сигнал о точечной цели.

Частота следования импульсов генератора импульсов 10 определяется однозначной дальностью действия РЛС R_од, т.е. f_ги=с/(2 Rод), С - скорость света.

Частота следования импульсов генератора тактовых импульсов 11 определяется количеством дискрет дальности N_д на развертке и частотой f_ги и должна быть f_гти≥_{Nд fги.}

Оценка эффективности предлагаемого способа и устройства, проведенная расчетным путем, показывает наличие положительного эффекта, заключающегося в подавлении (не обнаружении) распределенной ПП и обнаружении точечной цели (фиг.2).

Так, например, если луч ДНА при втором зондировании отстоит по обеим координатам от луча ДНА при первом зондировании на величину ширины луча по уровню половинной мощности (δ =1) и установлен порог Z_п, равный 0.3, то обеспечивается подавление 90% распределенных в пространстве ПП (С/Ш=ПП/ш 10) и обнаруживается не менее 96% точечных целей.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в РЛС с ФАР, работающих в условиях естественных и умышленных распределенных в пространстве пассивных помех. Техническим результатом является повышение эффективности обнаружения РЛС с ФАР малоразмерных неподвижных и медленно движущихся целей, а также снижение временных затрат на помехозащиту. Способ защиты РЛС с ФАР от пассивных помех заключается в том, что излучают последовательно во времени два одинаковых зондирующих импульсных сигнала, задерживают первый из принимаемых отраженных сигналов на время, равное периоду повторения импульсов, сравнивают величины, пропорциональные разности принятых сигналов, с порогом, при превышении которого формируют сигнал о наличии цели, при этом после первого зондирования смещают угловое положение луча ФАР на величину шага луча при обзоре относительно направления при первом зондировании, после приема обоих отраженных сигналов определяют значение отношения модуля разности амплитуд огибающих принятых сигналов к их сумме, которое и сравнивают с порогом. Радиолокационная станция содержит антенну, антенный переключатель, импульсный усилитель, высокочастотный генератор, линию зажержки, блок сравнения и долговременное запоминающее устройство (ДЗУ), а также генератор импульсов, генератор тактовых импульсов (ГТИ), блок управления диаграммой направленности антенны (БУДНА), приемник, детектор огибающей, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифровой вычислитель отношения разность-сумма (ЦВОРС). 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ защиты радиолокационной станции (РЛС) с фазированной антенной решеткой (ФАР) от пассивных помех, заключающийся в том, что излучают последовательно во времени два одинаковых зондирующих импульсных сигнала, задерживают первый из принимаемых отраженных сигналов на время, равное периоду повторения импульсов, сравнивают величины, пропорциональные разности принятых сигналов, с порогом, при превышении которого формируют сигнал о наличии цели, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности обнаружения РЛС с ФАР малоразмерных неподвижных и медленно движущихся целей, а также снижения временных затрат на помехозащиту, после первого зондирования смещают угловое положение луча ФАР на величину шага луча при обзоре относительно направления при первом зондировании, после приема обоих отраженных сигналов определяют значение отношения модуля разности амплитуд огибающих принятых сигналов к их сумме, которое и сравнивают с порогом.2. Радиолокационная станция, содержащая антенну, соединенную с антенным переключателем, вход которого соединен с выходом импульсного усилителя, высокочастотный генератор, выход которого соединен с входом импульсного усилителя, линию задержки, блок сравнения, выход которого является выходом РЛС и долговременное запоминающее устройство (ДЗУ), выход которого соединен с вторым входом блока сравнения, отличающаяся тем, что введены генератор импульсов, генератор тактовых импульсов (ГТИ), блок управления диаграммой направленности антенны (БУДНА), приемник, детектор огибающей, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифровой вычислитель отношения разность-сумма (ЦВОРС), при этом выход генератора импульсов соединен с входами высокочастотного генератора, БУДНА, выход которого соединен с антенной и ГТИ, при этом вход приемника соединен с выходом антенного переключателя, выход - с входом детектора огибающей, выход которого соединен с входом линии задержки и с информационным входом первого АЦП, выход линии задержки соединен с информационным входом второго АЦП, синхровходы обоих АЦП соединены с выходами ГТИ, первый и второй входы ЦВОРС соединены с выходами соответствующих АЦП, а выход - с первым входом блока сравнения.