Когерентная помеха "пинг-понг" и цифровая радиочастотная память с обратным воспроизведением Российский патент 2021 года по МПК H04K3/00 G01S7/38 

Изобретение относится к области радиоэлектронной борьбы (РЭБ) и предназначено для защиты объекта от наводимого высокоточного оружия, путем создания угловых помех радиолокационным средствам (РЛС) сопровождения и наведения, в том числе ракетам с активными радиолокационными головками самонаведения (АРГСН) с моноимпульсным методом пеленгации.

Актуальной проблемой радиоэлектронной борьбы, является защита объекта от наводимого высокоточного оружия, в частности от ракет с (АРГСН). Современные АРГСН, для наведения ракеты на цель, использует моноимпульсный метод пеленгации, который обладает высокой помехозащищенностью от организованных помех с защищаемого объекта. Сущность моноимпульсного радиолокационного метода пеленгации, заключается в измерении нормали к фазовому фронту отраженной от цели волны, направление которой идентифицируется пеленгатором с направлением на цель. Эффективным способом самозащиты объекта (индивидуальной защиты) от ракет с моноимпульсной АРГСН является создание когерентной помехи [Перунов Ю.М., Фомичев Л.М., Юдин Л.М. Радиоэлектронное подавление информационных каналов систем управления оружием. М.: Радиотехника, 2003].

Техника создания когерентной помехи использует пару разнесенных в пространстве излучателей когерентных сигналов, с помощью которых создают многолепестковую диаграмму направленности. Когерентная помеха будет обеспечивать максимальную эффективность в области пространства, где выполняются условия близкие к противофазности и равенству амплитуд когерентных сигналов [Вакин С.А., Шустов Л.Н. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. М.: Советское радио, 1968]. Необходимым условием эффективности когерентной помехи, является превышение мощности помехи над мощностью отраженного сигнала в точке приема. Требования к мощности помехи снижаются при уводе строба сопровождения АРГСН с защищаемого объекта.

Эффект когерентной помехи заключается в искажении фронта волны в апертуре антенны, что в свою очередь приводит к ошибке измерения угловых координат цели и в конечном итоге к срыву сопровождения и промаху ракеты. Из-за искажения волнового фронта, ракета наводится на мнимую цель, которая смещена от истинной цели на величину, зависящую от расстояния между излучателями (базы) и степени соответствия когерентных сигналов условиям противофазности и равенству амплитуд. Значение смещения может достигать десятков длин баз, так уже при разности по амплитуде в 10% и фазе 175 градусов, ошибка наведения составит около 15 длин баз [см., Вакин С.А., Шустов Л.Н. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. М.: Советское радио, 1968 - стр. 200].

Проблема практического использования когерентной помехи для самозащиты объекта (индивидуальной защиты), заключается в сложности аппаратуры для обеспечения устойчивого и оптимального амплитудно-фазового распределения результирующего поля помехи в точке приема отраженного сигнала. Сложность создания аппаратуры, также обусловлена необходимостью обеспечения инвариантности к частоте сигнала и направлению на РЛС.

Известен способ и устройство создания когерентной помехи, состоящее из двух приемопередающих устройств с цифровой радиочастотной памятью (ЦРЧП, англ. Digital Radio Frequency Memory - DRFM) и перекрестными радиочастотными трактами с фазовращателями [Перунов Ю.М., Фомичев Л.М., Юдин Л.М. Радиоэлектронное подавление информационных каналов систем управления оружием. М.: Радиотехника, 2003], [IT RM2009A00330]. Недостатком данного способа и устройства, является необходимость в перекрестных радиочастотных трактах.

Изобретение для создания когерентной помехи не требует измерения пеленга на РЛС, не требует перекрестных радиочастотных трактов и обеспечивает следующий технический результат:

- упрощение аппаратуры создания когерентной помехи;

- возможность использования когерентной помехи для индивидуально-взаимной защиты;

- расширения тактических способов применения когерентной помехи.

Способ создания когерентной помехи использует два разнесенных в пространстве приемо-передающих устройства (ППУ) с цифровой радиочастотной памятью (ЦРЧП). Каждое устройство производит прием и запись в ЦРЧП принятого радиосигнала от РЛС. Для ретрансляции радиосигнала, каждым устройством производится воспроизведение записанного радиосигнала из ЦРЧП в обратном направлении (реверсивном), чем при записи, при этом в одном из устройств производится изменение фазы сигнала на 180 градусов (см. фиг. 1). ППУ может содержать усилители для увеличения коэффициента усиления приемо-передающего тракта.

В отличие от обычной организации работы сигнальной памяти ЦРЧП по принципу «первый пришел - первый вышел» (англ. Fist In - Fist Out, FIFO), работа сигнальной памяти ЦРЧП в данном способе организована по принципу «последний пришел - первым вышел» (англ. Last In - Fist Out, LIFO) или «последним записан - первым считан», т.е. представляет собой стековую память (см. фиг. 1). При такой организации памяти ЦРЧП, происходит самонаведение помехи по направлению и стабилизация результирующей диаграммы направленности на источник сигнала.

Таким образом, если входной радиоимпульс представить в виде мячика, пущенного в защищаемый объект, то он, как бы отскакивает от него в обратном направлении, не меняя своей ориентации. Поэтому этот способ создания помехи, для определенности, предлагается называть «пинг-понг».

Принцип создания когерентной помехи «пинг-понг» показан на фиг. 2 - фиг. 4. Радиолокационный сигнал, в виде импульса, состоящего из трех периодов радиосигнала, излучается антенной РЛС из точки M, принимается антенной первого ППУ в точке A и антенной второго ППУ в точке B (см. фиг. 2). Память ЦРЧП условно показана отрезками, а направление записи и воспроизведения стрелками. На фиг. 2 показан момент начала записи сигналов, запись сигналов в память производиться снизу-вверх. Принятый первым ППУ радиосигнал записывается в память ЦРЧП №1, принятый вторым ППУ радиосигнал записывается в память ЦРЧП №2. На фиг. 3 показан момент окончания записи радиосигналов и начала воспроизведения. После записи, радиосигналы воспроизводятся в обратном порядке чем при записи (сверху вниз) и излучаются антеннами из точек A и B соответственно первым и вторым ППУ, при этом во втором ППУ производится изменение фазы сигнала на 180 градусов. На фиг. 4 показан момент окончания воспроизведения, на нем видно, что излучённые радиосигналы формируют искаженный результирующий фазовый фронт в направлении точки М, где находится антенна РЛС.

Способ создания когерентной помехи «пинг-понг» инвариантен (не чувствителен) к частоте сигнала и направлению на РЛС. Способ не требует обнаружения входного радиосигнала, поэтому может эффективно использоваться против РЛС использующих сигналы с низкой вероятностью перехвата (англ. Low Probability of Intercept, LPI).

Приемо-передающие устройства для максимального обеспечения условия противофазности и равенства амплитуд сигналов в точке приема, должны обеспечивать максимальную идентичность приемо-передающих трактов по амплитуде (коэффициенту усиления) и фазе. Для обеспечения идентичности трактов возможно применения методов калибровки и компенсации искажений в тракте.

Когерентная помеха может формироваться как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Импульсный режим позволяет осуществить временное разделение приема и передачи сигналов (временная развязка), тем самым, упростив приемо-передающее устройство за счет использования общей антенны на прием и передачу. Реализацию непрерывного режима формирования помехи предпочтительно осуществлять с использованием раздельных антенн на прием и передачу, т.к. применение общей антенны потребует использования устройств (циркуляторов) и (или) методов разделения сигналов (компенсации, калибровки и др.). При использовании раздельных антенн, необходимо максимально обеспечить равенство расстояний между фазовыми центрами приемных и передающих антенн двух приемо-передающих устройств и их стабильность.

При импульсном режиме формирования помехи, в ЦРЧП запись сигнала периодически чередуются с воспроизведением сигнала. Длительность операций записи и воспроизведения может быть, как одинаковой, так и разной. При большей длительности операции воспроизведения, возможно многократное воспроизведение записанного сигнала.

Для непрерывного режима формирования помехи, в ЦРЧП необходимо одновременно записывать и воспроизводить сигнал, это можно осуществить, применив двойную буферизацию, т.е. организовать в памяти ЦРЧП два буфера (на два кадра), для выполнения поочередных операций записи и воспроизведения в них. Т.е. при записи сигнала в один буфер, в то же время производится воспроизведение ранее записанного сигнала со второго буфера, далее операции над буферами циклически меняются.

Моменты начала записи и воспроизведения сигналов в двух ЦРЧП могут быть, как синхронизированы, так и нет. Для синхронизации работы двух ЦРЧП необходимо использовать общий сигнал синхронизации (см. фиг 5). Сигнал синхронизации можно подавать как однократно в начале работы ППУ, так и периодически в процессе работы. Сигнал синхронизации может формироваться в одном из ППУ, в этом случае оно выступает в роли ведущего устройства, а второе как ведомое (см. фиг. 6). Сигнал синхронизации можно передавать в виде радиосигнала, использовав приемо-передающие тракты ППУ.

Изменение фазы сигнала на 180 градусов можно осуществить в цифровом виде путем инверсии сигнала (умножения цифровых дискретных выборок сигнала на -1). Изменение фазы сигнала, возможно осуществить в ЦРЧП, использовав цифровой фазовый модулятор или манипулятор. Изменение фазы сигнала, возможно с использованием отдельного аналогового фазовращателя либо путем инверсии полярности сигнала. Выравнивание и изменение амплитуды (мощности) радиосигналов также возможно осуществлять в цифровом виде в ЦРЧП или с использованием аналоговых устройств (аттенюаторов), контролируя, чтобы разница не превышала 2 дБ. Регулировку по амплитуде и фазе можно осуществлять как в одном, так и в двух ППУ. Управление работой ППУ можно осуществлять с одного ППУ (ведущего) передавая на ведомое ППУ команды. Управление работой ППУ, также может осуществляться с внешнего устройства.

При недостаточности выходной мощности, для прикрытия помехой защищаемого объекта, можно увести строб сопровождения с защищаемого объекта (отраженного сигнала), для чего на первом этапе создания помехи разность фаз устанавливают 0 градусов, в этом случае ретранслированный сигнал принимаемый АРГСН будет иметь максимальную амплитуду, со временем производится увод строба сопровождения по дальности и доплеровской скорости, после чего плавно или скачкообразно изменяют фазу до 180 градусов [Перунов Ю.М., Фомичев Л.М., Юдин Л.М. Радиоэлектронное подавление информационных каналов систем управления оружием. М.: Радиотехника, 2003]. Циклы увода могут быть периодические или однократные. В общем случае, для осуществления срыва сопровождения и промаха ракеты, ретранслированный радиосигнал может наделяться модуляцией по амплитуде или (и) фазе или (и) задержке. Законы изменения параметров радиосигналов могут быть различными и определяться тактической ситуацией.

Устройство ЦРЧП требует наличия опорного тактового сигнала, из которого получает необходимые для работы АЦП, ЦАП и ПЛИС внутренние тактовые сигналы, как правило, используя синтезаторы частот с фазовой автоматической подстройкой частоты (ФАПЧ). Формирование помехи «пинг-понг», возможно, как с общим тактовым сигналом, так и с независимыми тактовыми сигналами. Общий тактовый сигнал формируется одним генератором, сигнал с которого поступает на оба ЦРЧП. Сигнал тактовой синхронизации (CLK) может формироваться в одном из ППУ, в этом случае оно выступает в роли ведущего устройства, а второе ППУ в роли ведомого (см. фиг.7). Сигнал тактовой синхронизации можно передавать в виде радиосигнала (пилот-сигнала), организовав отдельную радиолинию или использовав для приема и передачи приемо-передающие тракты ППУ. Синхронизация таковых сигналов в ЦРЧП возможна с использованием внешних радиосигналов, например, сигналов радионавигационных систем (LORAN-C, eLORAN, Чайка и др.) и спутниковых систем навигации (GPS, ГЛОНАС и др.).

При независимых тактовых сигналах, каждое устройство ЦРЧП содержит автономный генератор тактовых сигналов. Схема с независимыми тактовыми сигналами обеспечивает большее удобство при размещении на объекте защиты, т.к. не требует никакой связи между двумя ППУ, которые в этом случае работают автономно. Недостатком схемы с автономными тактовыми генераторами, является наличие дополнительной фазовой ошибки между двумя формируемыми сигналами из-за различий частот генераторов, что ухудшает их когерентность. Оценим фазовую ошибку при использовании термокомпенсированных кварцевых генераторов в ЦРЧП. Типовое значение относительной точности и стабильности частоты для этого типа генераторов 10^-6, т.е. при частоте одного генератора 1 МГц, относительный уход за 1 секунду второго генератора (частотой 1,000001 МГц) составит один период частоты. Предположим, что мы хотим создать помеху с частотой 10 ГГц, т.е. частота сигнала в 10 000 раз больше чем тактовый сигнал и соответственно на интервале задержки в 1 секунду ошибка составит 10 000 периодов частоты сигнала. Высокая эффективность когерентной помехи сохраняется при фазовой ошибке не более 5-10 градусов (т.е разница фаз находилась в диапазоне от 170 до 190 градусов). Для уменьшения фазовой ошибки, необходимо уменьшать задержку сигнала в ЦРЧП, т.е уменьшать интервал между циклами записи и воспроизведения. Так, при уменьшении задержки до 1 мкс фазовая ошибка уменьшится в 1000000 раз и для нашего случая составит:

или

Расчеты показывают, что, уменьшая задержку, можно обеспечить кратковременную когерентность сигналов и тем самым сохранить эффективность помехи. Таким образом, основным недостатком схемы с автономными тактовыми генераторами, это сложность реализации больших задержек сигнала.

Большим достоинством схемы с автономными тактовыми генераторами, является независимость приемо-передающих устройств, что позволяет размещать их на разных объектах, в том числе подвижных, тем самым, обеспечивая эффективную индивидуально-взаимную защиту (ИВЗ) от управляемого оружия. Сравнивая помеху «пинг-понг» с мерцающей помехой, которая также используется для ИВЗ, помеха «пинг-понг» обладает тем преимуществом, что не накладывает таких ограничений на взаимное расположение объектов защиты как мерцающая помеха.

Возможен способ создания и многоточечной когерентной помехи «пинг-понг» (более двух излучателей). Необходимым условием эффективности помехи, является обеспечения близкое к нулю векторной суммы ретранслированных сигналов в точке приема угломерной аппаратуры. Так, при использовании трех излучателях (трехфазная система), необходимо обеспечить относительный сдвиг фаз в трех приемо-передающих устройствах на 120 градусов, например, внести сдвиг фазы соответственно, на 0, 120 и 240 градусов. Один ППМ, можно условно принять за опорный и не изменять в нем фазу сигнала. Преимущество многоточечной когерентной помехи заключается в том, что возможно искажение фронта волны в двух плоскостях и соответственно внесение дополнительной ошибки в угломерную систему по второй угловой координате. Многоточечная помеха «пинг-понг» еще больше разрушает фазовый фронт в точке приема, что делает невозможным сопровождения и наведения ракеты с АРГСН на цель прикрытую такой помехой.

Для обеспечения превышения мощности когерентной помехи над отраженным сигналом, возможно использование в приемо-передающих устройствах фазированных антенных решеток (ФАР) или активных фазированных антенных решеток (АФАР). Особенно эффективно использование когерентной помехи «пинг-понг» при организации индивидуально-взаимной защиты с использованием бортовых радиолокационных станций (БРЛС) имеющих режим подавления и оснащенных ЦРЧП с обратным воспроизведением сигнала.

Когерентная помеха также эффективна против зенитно-артиллерийских комплексов (ЗАК) и зенитных ракетных комплексов (ЗРК) с командным методом наведения ракеты на цель и использующих для пеленгации радиолокаторы сопровождения цели.

Когерентная помеха «пинг-понг» может быть использована для защиты объектов от наводимого оружия использующего вместо радиоволн звуковые (механические) волны.

Создание когерентных помех «пинг-понг» возможно при установке приемо-передающих устройств на самолеты, вертолеты, корабли, стационарные объекты, буксируемые радиолокационные ловушки (БРЛ), передатчики помех одноразового использования (ППОИ), беспилотные летательные аппараты (БПЛА), крылатые и баллистические ракеты, боеголовки.

Изобретение относится к области радиоэлектронной борьбы (РЭБ) и предназначено для защиты объекта от наводимого высокоточного оружия путем создания угловых помех радиолокационным средствам (РЛС). Технический результат – обратное воспроизведение записанного радиосигнала. Для этого предложен способ создания когерентной помехи, который использует два разнесенных в пространстве приемо-передающих устройства (ППУ) с цифровой радиочастотной памятью (ЦРЧП). Каждое устройство производит прием и запись в ЦРЧП принятого радиосигнала от РЛС. Для ретрансляции сигнала каждым устройством производится воспроизведение записанного радиосигнала из ЦРЧП в обратном (реверсивном) направлении, чем при записи, при этом в одном из устройств производится изменение фазы сигнала на 180 градусов. В отличие от обычной организации работы сигнальной памяти ЦРЧП по принципу «первый пришел - первый вышел» работа сигнальной памяти ЦРЧП в данном способе организована по принципу «последний пришел - первым вышел». При этом происходит самонаведение помехи по направлению и стабилизация результирующей диаграммы направленности на источник сигнала. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ создания помехи радиолокационному средству путем приема радиосигнала от радиолокационного средства, записи, воспроизведения и передачи его двумя разнесенными в пространстве приемо-передающими устройствами с цифровой радиочастотной памятью и изменением фазы радиосигнала на 180 градусов в одном из них, отличающийся тем, что воспроизведение записанного в цифровой радиочастотной памяти радиосигнала производится в обратном порядке (направлении), чем при записи.

2. Способ создания помехи по п.1, отличающийся тем, что ретранслированный радиосигнал наделяется модуляцией по амплитуде, и (или) фазе, и (или) задержке.

3. Способ создания помехи по п.1, отличающийся тем, что приемо-передающие устройства работают в импульсном режиме с временной развязкой.

4. Способ создания помехи по п.1, отличающийся тем, что приемо-передающие устройства с цифровой радиочастотной памятью имеют общий опорный тактовый генератор.

5. Способ создания помехи по п.1, отличающийся тем, что моменты начала записи и воспроизведения в обоих устройствах синхронизированы.

6. Способ создания помехи по п.1, отличающийся тем, что фаза сигнала изменяется в диапазоне от 170 градусов до 190 градусов.

7. Способ создания помехи по п.1, отличающийся тем, что изменение фазы сигнала на 180 градусов производится инверсией полярности сигнала.

8. Способ создания помехи по п.1, отличающийся тем, что фаза сигнала изменяется со временем от 0 градусов до 180 градусов.

9. Способ создания помехи по п.1, отличающийся тем, что разница мощностей ретранслированных радиосигналов не превышает 2 дБ.

10. Цифровая радиочастотная память для записи и воспроизведения входных радиосигналов, отличающаяся тем, что содержит стековую память для записи и воспроизведения радиосигналов, т.е. память, доступ к которой организован по принципу «последним записан – первым считан».