УСТРОЙСТВО ИСКАЖЕНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТА Российский патент 2009 года по МПК G01S13/90 

Изобретение относится к области радиоподавления радиолокационных станций (РЛС), в частности, может быть использовано при разработке станций помех для радиоподавления радиолокационных станций с синтезированной апертурой антенны (РСА) [3, с.65-97; 4, с.3-22].

Известны устройства, искажающие радиолокационное изображение (РЛИз) объекта - уголковый отражатель [1, с.321-326; 2, с.90-99] и линза Люнеберга, которые обеспечивают имитацию точечных объектов для РСА. Уголковый отражатель и линза Люнеберга переотражают сигнал на рабочей частоте РЛС и обеспечивают искажение РЛИз объекта (за счет увеличения его интенсивности). Причем искажение РЛИз происходит только в случае совмещения в пространстве уголкового отражателя и линзы Люнеберга с объектом.

Известен способ преднамеренного искажения РЛИз объектов (способ увеличения или уменьшения интенсивностей РЛИз объектов или уменьшения отношения интенсивности РЛИз объекта к интенсивности подстилающей поверхности, на которой расположен объект) [5-7], но не известно устройство, реализующее данный способ.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом к предлагаемому изобретению) является активная антенная решетка (ответчик) Ван-Атта [1, с.329], осуществляющая прием зондирующего сигнала и его излучение в направлении РСА, обеспечивая имитацию точечной цели на формируемом РЛИз. Антенная решетка содержит N пар полуволновых диполей (элементов), расположенных симметрично относительно середины и соединенных коаксиальными кабелями равной длины. Падающие и переизлученные волны проходят одинаковый путь, поэтому максимум диаграммы переизлучения совпадает с направлением прихода волны.

Недостатком устройства-прототипа является то, что, во-первых, оно не позволяет искажать непосредственно РЛИз объекта, формируемое РСА, или может только увеличить его интенсивность лишь в том случае, когда прототип и объект совмещены в пространстве, во-вторых, не учитывает ЭПР объекта и искажающий эффект может быть незначителен, в-третьих, если РЛИз объекта состоит из нескольких элементов разрешения по азимуту [3, с.14; 4, с.275], т.е. объект является пространственно-протяженным, то возможно искажение только одного элемента РЛИз объекта.

Задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, состоит в расширении функциональных возможностей устройств формирования имитирующих помех, обеспечивающих искажение РЛИз объектов (как увеличение, так и уменьшение их интенсивности), формируемых РСА, а также снижение вероятности правильного обнаружения объектов.

Технический результат выражается в искажении РЛИз объекта (отклика РСА на сигналы, отраженные от объекта) ретранслированным откликом (откликом РСА на переизлученный предлагаемым устройством сигнал), которое приводит к снижению вероятности правильного обнаружения объекта D_по [10, с.160].

Технический результат достигается тем, что в устройство искажения радиолокационного изображения объекта, состоящее из N-канальной приемной и передающей антенных решеток, при этом каждый из N каналов содержит управляемый усилитель, в каждый из N каналов введены последовательно соединенные управляемый фазовращатель, управляемая линия задержки, а также имеющие N выходов блок управления управляемыми фазовращателями, блок управления управляемыми линиями задержки и блок управления управляемыми усилителями, при этом вход блока управления управляемыми фазовращателями, вход блока управления управляемыми линиями задержки и первый вход блока управления управляемыми усилителями являются информационными входами устройства, введен также блок ввода значений эффективной площади рассеяния объекта, выход которого соединен с вторым входом блока управления управляемыми усилителями, причем n-й выход, где n=1, 2,..., N, приемной антенной решетки соединен с первым входом соответствующего управляемого фазовращателя, второй вход n-го управляемого фазовращателя соединен с соответствующим выходом блока управления управляемыми фазовращателями, второй вход n-й управляемой линии задержки соединен с соответствующим выходом блока управления управляемыми линиями задержки, выход n-й управляемой линии задержки соединен с первым входом n-го управляемого усилителя, второй вход n-го управляемого усилителя соединен с соответствующим выходом блока управления управляемыми усилителями, выход n-го управляемого усилителя соединен с соответствующим входом N-канальной передающей антенной решетки.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-4.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства.

На фиг.2 показано взаимное расположение ретранслятора, объекта и носителя РСА.

На фиг.3 изображена структурная схема управляемой линии задержки.

На фиг.4 приведены зависимости среднего квадратичного отклонения (СКО) однократной оценки радиальной скорости носителя РСА от требуемой импульсной мощности передатчика импульсно-доплеровской РЛС.

Сущность изобретения заключается, во-первых, в переизлучении ответного сигнала в направлении РСА со специальным образом измененной начальной фазой, задержке по времени и усилении специальным образом каждого принятого сигнала РСА, обеспечивающих одновременный приход ответного сигнала (ретранслированного предлагаемым устройством) и сигнала, отраженного от объекта, на вход приемного устройства РСА, во-вторых, в искажении РЛИз объекта, формируемого РСА, обуславливающем снижение вероятности правильного обнаружения этих объектов.

Предлагаемое устройство искажения РЛИз объекта состоит из N каналов, n-й канал, где n=1, 2,..., N, содержит последовательно соединенные элемент приемной антенной решетки 1_n, управляемый фазовращатель 2_n, управляемую линию задержки 3_n, управляемый усилитель 4_n, элемент передающей антенной решетки 5_n, а также блока управления управляемыми фазовращателями 6, блока управления управляемыми линиями задержки 7, блока управления управляемыми усилителями 8, блока ввода значений ЭПР объекта 9, соединенных, как показано на фиг.1.

Приемная антенная решетка 1 предназначена для приема сигналов, излучаемых РСА, и преобразования их в электрические сигналы, подаваемые на первые входы управляемых фазовращателей 2.

Управляемый фазовращатель 2 предназначен для изменения по определенному закону начальной фазы каждого принятого импульса РСА.

Управляемая линия задержки 3 предназначена для задержки сигнала, полученного на выходе фазовращателя, на требуемое время t_з(t).

Управляемый усилитель 4 предназначен для усиления каждого принятого импульса РСА по определенному закону.

Передающая антенная решетка 5 предназначена для излучения сформированных предлагаемым устройством сигналов в направлении РСА.

Блок управления управляемыми фазовращателями 6 предназначен для выработки на основе информации, поступающей от навигационной аппаратуры и от устройства внешнего целеуказания (ВЦУ), N одинаковых управляющих напряжений U(t), изменяющихся от импульса к импульсу по определенному закону и подаваемых на вторые входы фазовращателей 2.

Блок управления управляемыми линиями задержки 7 предназначен для расчета времени задержки t_з(t) на основе информации, поступающей от навигационной аппаратуры и от устройства ВЦУ, и формирования управляющих частот f(t), подаваемых на вторые входы управляемых линий задержки 3.

Блок управления управляемыми усилителями 8 предназначен для расчета коэффициента усиления К_у на основе информации, поступающей с блока ввода значений ЭПР объекта 9, и формирования управляющих напряжений U_у(t), подаваемых на вторые входы управляемых усилителей 4.

Блок ввода значений ЭПР объекта 9 предназначен для формирования и подачи на блок управления усилителями 8 цифровых значений ЭПР прикрываемого объекта.

Устройство работает следующим образом. Зондирующий сигнал РСА на частоте f₀, которая является известной, поступает на N элементов приемной антенной решетки 1. Фаза сигнала U_n=cos(2πf₀t+ϕ_n), принятого n-м элементом приемной антенной решетки 1, определяется направлением прихода волны:

где λ - длина волны зондирующего сигнала РСА; d=λ/2 - расстояние между элементами приемной антенной решетки 1; θ - направление прихода зондирующего сигнала относительно раскрыва приемной антенной решетки.

Выходные сигналы элементов приемной антенной решетки 1 подаются на первые входы управляемых фазовращателей 2. Устройство управления управляемыми фазовращателями 6 на основе известной информации о параметрах движения носителя РСА (модуль вектора скорости носителя , азимут цели β_ц, наклонная дальность до РСА D_B, курсовой угол α_ц) формирует управляющие сигналы U(t), которые подаются на вторые входы управляемых фазовращателей 2. Величина управляющих сигналов определяется выражением:

где D_B(t) - текущее расстояние от РСА до ретранслятора, которое изменяется с течением времени по зависимости [4, с.11]:

где D₀ - расстояние между носителем РСА и ретранслятором в начальный момент времени; и - тангенциальная и радиальная составляющие скорости носителя РСА соответственно; t - текущее время.

С учетом выражения (3) фаза ретранслированного сигнала будет формироваться по закону [4, с.13]:

Вся информация о параметрах движения носителя РСА поступает на блоки управления управляемыми фазовращателями 6, управляемыми линиями задержки 7, а также на первый вход блока управления управляемыми усилителями 8 от устройств ВЦУ [11], а информация о взаимном пространственном расположении ретранслятора и объекта поступает от навигационной аппаратуры (например, от GPS).

Управляющие сигналы (2), подаваемые на вторые входы фазовращателей 2, должны обеспечить одинаковый для каждого канала n сдвиг начальной фазы ретранслированных сигналов в соответствии с выражением (4). С выходов линейки фазовращателей 2 сигналы с одинаковым изменением начальной фазы, обусловленным выражением (4), подаются на первые входы управляемых линий задержки 3, на вторые входы которых подаются управляющие сигналы с блока управления управляемыми линиями задержки 7, который формирует их на основе информации о разности текущих наклонных дальностей от РСА до ретрансляторов D_B(t) и от РСА до объекта D_A(t) с целью задержки сигналов во всех каналах предлагаемого устройства на рассчитанное время задержки t_з(t), для обеспечения одновременного прихода ретранслируемого сигнала и сигнала, отраженного от объекта, на вход приемного устройства РСА. Изменение управляющих сигналов f(t), подаваемых на вторые входы управляемых линий задержки, должно обеспечить изменение времени задержки по закону:

где с - скорость распространения радиоволн.

На фиг.2 представлен чертеж, поясняющий геометрическое расположение носителя РСА, ретранслятора и объекта, в системах координат носителя РСА и ретранслятора, где обозначено: Д0Д_П - система координат носителя РСА "дальность - поперечная дальность"; XBY - система координат ретранслятора; β - направление на север; х_А, у_А - координаты объекта; х_В, у_В - координаты ретранслятора; х_С, у_С - координаты носителя РСА; D_A - расстояние от объекта до носителя РСА; D_B - расстояние от ретранслятора до носителя РСА; D_p - расстояние от объекта до ретранслятора; θ_A - угол наблюдения РСА объекта; θ_B - угол наблюдения РСА ретранслятора; - вектор скорости носителя РСА; α_ц - курсовой угол носителя РСА; β_ц - азимут цели; γ - угол, образованный прямыми D_Р и D_В.

От устройства ВЦУ, например от импульсно-доплеровской РЛС [11], на устройства управления управляемыми фазовращателями 6, управляемыми линиями задержки 7 и управляемыми усилителями 8 поступает информация о параметрах движения носителя РСА. Взаимное расположение объекта, ретранслятора и носителя РСА можно аппроксимировать произвольным треугольником (фиг.2). Владея информацией о местоположении объекта и носителя РСА и приняв за начало системы координат местоположение ретранслятора (х_В=0, у_В=0), можно вычислить расстояние от ретранслятора до объекта D_Р следующим образом:

Далее по теореме косинусов рассчитывается текущее расстояние от объекта до носителя РСА:

С выходов линейки управляемых линий задержки 3 сигналы подаются на первые входы управляемых усилителей 4, на вторые входы которых подаются управляющие сигналы с устройства управления управляемыми усилителями 8, которые формируются с учетом ЭПР объекта σ_об. Очевидно, чем большее значение ЭПР объекта, тем больше должны быть усилены сигналы, формируемые ретранслятором.

Коэффициент усиления К_у рассчитывается следующим образом. Из уравнения радиолокации [10, с.236] известно, что мощность отраженного от объекта сигнала на входе приемного устройства РСА Р_с будет зависеть от импульсной мощности передатчика РСА Р_u, коэффициента усиления ее антенны G, эффективной площади раскрыва приемной антенны РСА А, ЭПР объекта σ_об и наклонной дальности от объекта до носителя РСА D_A:

Мощность ретранслированного сигнала на входе приемного устройства РСА P_П будет зависеть от Р_и, G, А, а также от эффективной площади раскрыва антенной решетки 1 ретранслятора A_p, наклонной дальности от ретранслятора до носителя РСА D_B и коэффициента усиления антенной решетки 5 ретранслятора G_p:

Для достижения поставленных целей необходимо обеспечить равенство (или требуемое соотношение) мощностей полезного и искажающего сигналов на входе приемного устройства РСА. В этом случае необходимо выполнение условие:

Таким образом, при условии использования одинаковых антенн 1 и 5 и известных значениях λ и G_p коэффициент усиления ретранслятора рассчитывается в блоке управления управляемыми усилителями 8 как:

Полагая D_B/D_A≈1, σ_об=100 м², λ=0,1 м, G_p=100, коэффициент усиления К_у≈12,56. А при D_B/D_A=2-К_у≈20. Очевидно, что такие значения коэффициента усиления достаточно просто реализовать с помощью существующих схем усилителей [8, 9].

Далее сигналы с выходов линейки управляемых усилителей 4 поступают на соответствующие входы передающей антенной решетки 5, которая излучает их в направлении РСА.

Устройство-прототип способно только увеличивать интенсивность объекта на РЛИз. Эффективность применения предлагаемого устройства заключается в появлении различного типа искажений (увеличение или уменьшение интенсивности) РЛИз точечных объектов [6], что на практике может быть использовано для активного "гашения" [6] РЛИз скрываемого истинного объекта (при этом данный эффект возникает при уменьшении интенсивности РЛИз точечного объекта до уровня средней интенсивности РЛИз подстилающей поверхности (ПП) I_пп, на которой размещен объект) или для демаскирования ложного объекта (данный эффект возникает при увеличении интенсивности РЛИз ложного точечного объекта [5, 6]). Для достижения эффекта уменьшения интенсивности РЛИз точечного объекта необходимо изменять значение К_у в процессе ретрансляции по законам, указанным в [5].

Если объект является пространственно распределенным, то искажение элементов его РЛИз боковыми лепестками ретранслированного сигнала не приводит к изменению средней интенсивности РЛИз объекта I_об. Однако в непосредственной близости от РЛИз объекта вместо РЛИз подстилающей поверхности формируется РЛИз ретранслированного сигнала с интенсивностью I_р. В данном случае уменьшается вероятность правильного обнаружения объекта в К_по раз:

где D_ПО - вероятность правильного обнаружения [10]; D_{ПО р} - вероятность правильного обнаружения при воздействии ретранслированного сигнала; Ф(·) - интеграл вероятностей; q₀ - порог обнаружения; - отношение средних интенсивностей РЛИз объекта и подстилающей поверхности, на которой он размещен; - отношение средних интенсивностей РЛИз объекта и ретранслированного сигнала I_p.

Полагая вероятность ложной тревоги F_лт=10^-2, q₀=3, q_ПП=17, q_p=3, т.е. при обеспечении равенства I_р=5,67 I_ПП путем установки соответствующего значения К_у(11), где ЭПР объекта равна ЭПР подстилающей поверхности, получим уменьшение вероятности D_ПО в 2,375 раз.

Таким образом, выражения (5)-(7), (11) и (12) показывают, что предложенное устройство обеспечивает достижение заявленного положительного эффекта.

Управляемые фазовращатели могут быть реализованы на основе фазовых манипуляторов СВЧ отражательного типа [8, с.211]. Управляемые линии задержки могут быть реализованы по схеме, изображенной на (фиг.3), где нижний 10 и верхний 12 смесители, между которыми расположена дисперсионная линия задержки (ДЛЗ) 11, управляются перестраиваемым генератором 13. Управляемые усилители могут быть реализованы на лампах бегущей волны (ЛБВ) [9, с.59] или на арсенид-галиевых или фосфит-индиевых полевых транзисторах с барьером Шоттки, а также на линейке на основе диодов Ганна и лавинно-пролетных диодов [8, с.169].

Требования к устройству внешних целеуказаний, обеспечивающему оценку параметров , заключаются в следующем.

Для однопозиционной импульсно-доплеровской РЛС среднее квадратичное отклонение (СКО) однократной оценки радиальной скорости при больших отношениях сигнал/шум определяется выражением:

где λ_рлс - длина волны зондирующего излучения; - среднеквадратическая длительность сигнала; - квадрат огибающей зондирующего импульса; N₀=K_шkT₀ - спектральная плотность шума приемного устройства импульсно-доплеровской РЛС; К_ш - коэффициент шума; kT₀≈4×10^-21 Вт/Гц; - энергия импульса; τ_рлс - длительность импульса; Р_и - импульсная мощность излучения импульсно-доплеровской РЛС.

Определим требуемую Р_и для импульса прямоугольной формы .

Энергия сигнала на входе приемного устройства РЛС равна:

где σ_н - ЭПР носителя РСА; G_рлс - коэффициент усиления антенны импульсно-доплеровской РЛС.

Подставим (14) в (13), получим:

где - длительность радиолокационного контакта; - период следования зондирующих импульсов РЛС.

Расчетные зависимости требуемой импульсной мощности излучения импульсно-доплеровской РЛС приведены на фиг.4 (1, 2, 3 - τ_рлс=10, 50, 100 мкс; K_ш=2 дБ; G_рлс=2000; σ_н=30 м²; D_B=100 км; При расчете G_рлс полагалось, что антенна РЛС является зеркальной и учитывалось, что угол визирования носителя РСА обычно не превышает 10°.

Результаты расчетов и особенности наблюдения цели (большая дальность, малый угол визирования) свидетельствуют о целесообразности применения в качестве зондирующих длинноимпульсных сигналов без внутриимпульсной модуляции (τ_рлс=100...300 мкс). Значение τ_рлс выбрано из соображений обеспечения разрешения воздушных целей по доплеровскому сдвигу, снижения мощности излучения РЛС, допустимого радиуса «мертвой зоны» РЛС.

Так, из фиг.4 следует, что при τ_рлс=100 мкс и точность определения радиальной скорости приблизительно равна σ_Vr≈0,15 м/с. Очевидно, что существующие радиолокационные устройства могут реализовать требуемые длительность импульса τ_рлс и импульсную мощность излучения Р_и для достижения высокой точности оценки параметров движения носителя РСА. Различные варианты структурных схем РЛС определения радиальной скорости и ускорения приведены в [11].

Предложенное техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестны устройства, позволяющие формировать ретранслированные сигналы для РСА, искажающие РЛИз объектов и изменяющие вероятность обнаружения объектов путем увеличения или уменьшения интенсивностей их РЛИз при условии раздельного местоположения ретранслятора и объекта.

Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы стандартные радиоэлектронные устройства и средства.

Источники информации

1. Вакин С.А., Шустов Л.Н. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. - М.: Сов. Радио, 1968. - 448 с.

2. Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. - М.: Воениздат, 1989. - 350 с.

3. Кондратенков Г.С., Потехин В.А., Реутов А.П., Феоктистов Ю.А.; Под ред. Кондратенкова Г.С. Радиолокационные станции обзора земли. - М.: Радио и связь, 1983. - 272 с.

4. Антипов В.Н., Горяинов В.Т., Кулин А.Н. и др. Под ред. Горяинова В.Т. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. - М.: Радио и связь, 1988. - 304 с.

5. Арапов Д.П., Лихачев В.П., Шляхин В.М. Влияние параметров синтезирования апертуры антенны на преднамеренные искажения радиолокационных изображений аддитивно-мультипликативными помехами. Антенны. - М.: Радиотехника, №7, 2002. С.60-64.

6. Лихачев В.П., Шляхин В.М. Активное "гашение" радиолокационных изображений целей, формируемых РСА, посредством модулированных помех. - Изв. вузов "Радиоэлектроника", №3, 2002. С.35-41.

7. Арапов Д.П., Лихачев В.П., Шляхин В.М. Особенности учета характеристик антенн с синтезированием апертуры в задачах формирования фиктивных радиолокационных изображений. Антенны. - М.: Радиотехника, №5 (51), 2001. С.43-46.

8. Петров Б.Е., Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов. - М.: Высшая школа, 1989. - 232 с.

9. Дулин В.Н. Электронные и квантовые приборы СВЧ. Учебное пособие для студентов высших технических учебных заведений. Издание 2-е переработанное. - М.: Энергия, 1972. - 224 с.

10. Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации. Учебное пособие для вузов. - М.: Советское радио, 1970. - 560 с.

11. Архипов А.И. РЛС для определения радиальной скорости цели. - М.: Радиотехника, 2005, №2, с.81-82.

Изобретение относится к области радиоподавления радиолокационных станций (РЛС) и может быть использовано при разработке станций помех для радиоподавления радиолокационных станций с синтезированной апертурой антенны (РСА). Достигаемый технический результат выражается в снижении вероятности правильного обнаружения объекта и достигается за счет того, что устройство искажения радиолокационного изображения объекта содержит N-канальную приемную и передающую антенные решетки, каждый из N каналов содержит последовательно соединенные управляемый фазовращатель, управляемую линию задержки и управляемый усилитель, кроме того, устройство содержит имеющие N выходов блок управления управляемыми фазовращателями, блок управления управляемыми линиями задержки, блок управления управляемыми усилителями и блок ввода значений эффективной площади рассеяния объекта, при этом все перечисленные средства соединены определенным образом между собой. 4 ил.

Устройство искажения радиолокационного изображения объекта, состоящее из N-канальной приемной и передающей антенных решеток, при этом каждый из N каналов содержит управляемый усилитель, отличающееся тем, что в каждый из N каналов введены последовательно соединенные управляемый фазовращатель, управляемая линия задержки, а также имеющие N выходов блок управления управляемыми фазовращателями, блок управления управляемыми линиями задержки и блок управления управляемыми усилителями, при этом вход блока управления управляемыми фазовращателями, вход блока управления управляемыми линиями задержки и первый вход блока управления управляемыми усилителями являются информационными входами устройства, введен также блок ввода значений эффективной площади рассеяния объекта, выход которого соединен с вторым входом блока управления управляемыми усилителями, причем n-ый выход, где n=1, 2,...,N, приемной антенной решетки соединен с первым входом соответствующего управляемого фазовращателя, второй вход n-го управляемого фазовращателя соединен с соответствующим выходом блока управления управляемыми фазовращателями, второй вход n-ой управляемой линии задержки соединен с соответствующим выходом блока управления управляемыми линиями задержки, выход n-ой управляемой линии задержки соединен с первым входом n-го управляемого усилителя, второй вход n-го управляемого усилителя соединен с соответствующим выходом блока управления управляемыми усилителями, выход n-го управляемого усилителя соединен с соответствующим входом N-канальной передающей антенной решетки.