Способ постановки имитационных помех Российский патент 2021 года по МПК G01S7/38 

Способ относится к области радиоэлектронной защиты и может быть использован при защите подвижного объекта наземной или воздушной техники путем постановки имитационных помех в направлении радиоэлектронных средств (РЭС) противника.

Имитационные помехи используются для внесения ложной информации в сигналы, с которыми оперируют подавляемые РЭС. Поскольку такие помехи не должны не должны быть отличимы приемником подавляемого РЭС от полезного сигнала, помехи должны быть подобием сигнала. Это позволяет создать такую сигнальную обстановку, в которой истинный сигнал перепутывается с ложным [1, с. 138].

Для создания имитационных помех используется постановщик помех ретрансляционного типа, основным узлом которого является устройство запоминания реализации сигнала. Если в этом устройстве используется линия задержки (коаксиальная, волноводная, оптическая, полосковая, акустическая) без преобразования сигнала в цифровой вид, то такой постановщик помех является аналоговым.

Аналоговые постановщики имитационных помех имеют наибольшее быстродействие. Принцип действия постановщика помех состоит в приеме сигнала, подавляемого РЭС, усилении и модуляции его по амплитуде, фазе, частоте и/или задержке и последующем однократном или многократном излучении сформированного таким образом сигнала помехи в направлении подавляемого РЭС [2, с. 307-308, 325].

Наряду с применением аналоговых устройств запоминания реализации сигнала, могут применяться цифровые устройства запоминания и воспроизведения радиосигналов (так называемые устройства с цифровой радиочастотной памятью (ЦРЧП)). Устройства с ЦРЧП более сложны, но имеют практически неограниченную длительность запоминания и большую гибкость при изменении параметров формируемых помех.

Например, существует способ формирования помех, основанный на использовании ЦРЧП и принимаемый за прототип [3]. При описании этого принципа в литературе широко используется также англоязычное название – DRFM (Digital Radio Frequency Memory). В устройстве с ЦРЧП в общем случае обеспечиваются понижение частоты входного высокочастотного сигнала, принятого от РЛС, его фильтрация, преобразование в цифровую форму, хранение и обработка (при которой выполняется наделение ответного сигнала необходимыми помеховыми составляющими), преобразование в аналоговую форму и повышающее преобразование частоты. Для хранения и обработки сигнала зачастую применяются программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Сформированный таким образом помеховый сигнал излучается в направлении РЛС противника. В устройстве с ЦРЧП так же, как в аналоговом постановщике помех ретрансляционного типа, формируется помеха, основанная на задержке и переизлучении принятого сигнала с внесением в него сдвига по частоте. Поэтому такая помеха воспринимается РЛС не как посторонний мешающий сигнал, который нужно отфильтровать, а именно как полезный (отраженный) сигнал, содержащий информацию об интересующих объектах. Традиционная система с ЦРЧП состоит из включённых последовательно входного ВЧ-смесителя, фильтра низких частот, АЦП, ПЛИС, ЦАП, фильтра низких частот и выходного ВЧ-смесителя. При помощи ВЧ-смесителей осуществляется перенос сигнала на частоту, укладывающуюся в полосу работы АЦП и обратно.

Существенным недостатком использования ЦРЧП является значительная задержка формирования помехового сигнала. Известно, что современные ПЛИС имеют ограничения по частоте работы в несколько сотен мегагерц. Так, ПЛИС Ultrascale+ фирмы Xilinx имеют максимально возможную тактовую частоту 800 МГц [4]. Это ограничение по частоте определяет задержку формирования помехи. Даже при отсутствии цифровой обработки в ПЛИС на запись сигнала из АЦП в ПЛИС, прохождение сигнала внутри АЦП, ПЛИС и ЦАП, а также на запись из ПЛИС в ЦАП суммарно затрачивается около 20 тактов. Минимальная задержка в блоке FIFO (First In, First Out), формирующем линию задержки, составляет 2 такта. Для сдвига спектра по частоте необходимы дополнительные операции, выполняемые за 10 тактов (типовое время для соответствующих программных ядер). Двукратная фильтрация сигнала суммарно потребует 20 тактов. Таким образом, при самом простом алгоритме постановки ретрансляционной помехи потребуется не менее, чем 52 такта, что при частоте работы 800 МГц составляет 65 нс. В комплексе дополнительная задержка вносится за счет распространения команд управления. Также задержка вносится алгоритмами работы систем анализа и управления. При анализе длительных импульсов, сигналов с внутриимпульсной модуляцией и в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки время анализа может возрастать до единиц…десятков микросекунд. Поэтому общая задержка формирования ответной помехи на практике может значительно возрастать. Например, в станции помех СПН-4 время задержки выдачи ответной помехи с момента приёма сигнала от РЛС может достигать 15 мкс [5, с. 504]. В то же время для повышения помехоустойчивости радиолокатора в условиях работы средств РЭБ один из основных способов защиты – использование коротких пачек импульсов и, реже, одиночных импульсных сигналов. Тогда РЛС исключит из обработки пришедшие со значительной задержкой помеховые сигналы за счет селекции по времени. В результате за постановщиком помех образуется «мертвая зона», в пределах которой он не обеспечивает прикрытие целей. Дальняя граница этой зоны зависит от длительности формирования ответной помехи τ_зад и определяется по выражению: R_МЗ ≈ cτ_зад/2, где c – скорость распространения электромагнитной волны в вакууме.

Также недостатком способа, основанного на использовании ЦРЧП, является относительно узкая полоса частот, которая ограничена частотой дискретизации АЦП и ЦАП. Так, в одноканальном модуле с ЦРЧП компании Radio Frequency Simulation Systems, который относится к модулям с ЦРЧП новейшего пятого поколения, частота дискретизации составляет не более 3,6 ГГц [3, с. 66]. При использовании современных АЦП и ЦАП (например, АЦП EV10AQ190A и ЦАП EV12DS480A фирмы Teledyne e2v с частотами дискретизации соответственно 5 ГГц и 8 ГГц) теоретически в соответствии с теоремой Котельникова полоса обработки может быть расширена до 2,5 ГГц, на практике, учитывая различные запасы и ограничения, – приблизительно до 2 ГГц. Для работы в более широкой полосе частот выполняется перенос необходимого участка частотного диапазона в рабочую частотную полосу ЦРЧП. Таким образом, способ-прототип имеет принципиальное ограничение на расширение мгновенной полосы рабочих частот. А это, в свою очередь, уменьшает пропускную способность по количеству РЛС, которые при одновременной работе могут перекрывать полосу ЦРЧП. Например, первая РЛС работает в полосе от 5 до 6 ГГц, вторая – в полосе от 9 до 10 ГГц. Тогда постановщик помех должен формировать помехи в полосе от 5 до 10 ГГц, а полоса оцифровки должна быть не менее 5 ГГц, что требует частоты дискретизации АЦП и ЦАП не менее 10 ГГц.

Целью предлагаемого способа является сокращение задержки формирования помехи и расширение мгновенной полосы рабочих частот.

Технический результат заключается в уменьшении мертвой зоны прикрытия за постановщиком помех при повышении пропускной способности по количеству целей.

Указанный результат достигается тем, что при постановке имитационных помех в ответ на принятый сигнал излучается его копия, задержанная по времени и сдвинутая по частоте. При этом дополнительно преобразуют сигнал из СВЧ-диапазона в оптический. Затем задерживают сигнал путем одного или нескольких пропусканий через отрезок оптического волокна. После задержки преобразуют сигнал из оптического диапазона обратно в СВЧ-диапазон. Затем выполняют двукратное частотное преобразование сигнала – переносят сигнал в диапазон промежуточных частот и возвращают в исходный частотный диапазон. При двукратном преобразовании взаимным сдвигом гетеродинных частот сдвигают частоту выходного сигнала относительно частоты принятого сигнала.

Сократить задержку формирования помехи позволяет отказ от оцифровки сигнала. Соответственно, функции задержки сигнала и сдвига по частоте выполняются без записи сигнала в цифровую память. Для задержки сигнала в предлагаемом способе используется регулируемая линия задержки, в которой сигнал многократно преобразуется из СВЧ-диапазона в оптический диапазон, проходит через отрезок оптического волокна и преобразуется обратно в СВЧ-диапазон. Для сдвига сигнала по частоте выполняется его перенос в диапазон промежуточных частот, а затем перенос в исходный частотный диапазон. Указанные частотные преобразования выполняются с использованием смесителей при подаче на них гетеродинных сигналов. При этом взаимный сдвиг гетеродинных частот определяет сдвиг частоты на выходе второго смесителя относительно входа первого. Изменением сдвига одной из гетеродинных частот обеспечивается сдвиг по частоте выходного сигнала. Понижением или повышением частоты выходного сигнала имитируется, соответственно, приближение или удаление цели. Все операции выполняются практически мгновенно. Ввиду малых значений доплеровского сдвига строго необходима синхронизация обоих гетеродинов, так как нестабильность частоты гетеродина может превышать само требуемое доплеровское смещение. Таким образом, задержка формирования помехи определяется длительностью прохождения сигнала по тракту и определяется в основном длиной линии задержки. Минимальная длина линии задержки определяется временем срабатывания СВЧ-коммутаторов. Если время задержки будет меньше времени срабатывания коммутаторов, фронты пропускаемого через линию задержки сигнала будут обрезаться и искажаться за счет переходных процессов при коммутации. Это будет особенно сказываться на форме огибающей сигнала при многократном проходе через линию задержки. Время переключения современных СВЧ-коммутаторов составляет единицы – десятки наносекунд. Например, типовое время переключения коммутатора HMC547ALC3 фирмы Analog Devices составляет 6 нс [6]. Задержка в оптическом тракте определяется длиной оптоволоконного кабеля, которая должна быть не более времени срабатывания коммутатора, считая, что они переключаются одновременно. Тогда задержка в оптическом тракте, учитывая запас на несинхронность переключения и потерю фронтов, составляет около 10 нс. Длина остального СВЧ-тракта (без линии задержки) на практике не превышает 30 см, что вносит задержку распространения сигнала приблизительно 1,7 нс (значение получено путем моделирования для печатной платы на типовом СВЧ-материале RO4350B). Таким образом, при прохождении через коммутаторы, а также оптический и СВЧ-тракт минимальная задержка формирования помехового сигнала составляет 10 + 10 + 1,7 = 21,7 нс.

Поскольку для достижения поставленных целей не используются аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразования, которые имеют ограничение по ширине полосы обрабатываемого сигнала, полоса рабочих частот постановщика помех может быть расширена. Она ограничивается шириной полосы пропускания каждого из звеньев, включенного на пути прохождения СВЧ-сигнала, на практике это линия задержки и смесители. Линия задержки состоит из СВЧ-коммутатора, электрооптического преобразователя, отрезка оптического волокна, оптоэлектронного преобразователя и СВЧ-коммутатора. Перечисленные элементы позволяют достичь ширины полосы пропускания линии задержки не менее 10 ГГц. Например, в качестве СВЧ-коммутаторов могут использоваться коммутаторы HMC-C071 с полосой пропускания от 0 до 20 ГГц [7], в качестве электрооптического преобразователя – трансмиттер OTS-2T/K5 с полосой пропускания от 0 до 40 ГГц [8], а смесителями СВЧ-диапазона могут служить смесители MAMX-011036 с диапазоном частот входного сигнала от 8 до 43 ГГц и диапазоном частот сигнала промежуточной частоты от 0 до 10 ГГц [9], что обеспечивает полосу рабочих частот до 10 ГГц. При использовании перечисленных элементов и переносе на промежуточную частоту в диапазоне от 0 до 10 ГГц итоговая полоса постановщика помех составит 10 ГГц. Данный пример показывает возможность получения более широкой мгновенной полосы рабочих частот, чем в способе-прототипе.

В зависимости от диапазона рабочих частот постановщика помех необходимо выполнять преобразование частот вверх или вниз. Поскольку линия задержки, учитывая существующую элементную базу, проще реализуется на низких частотах, возможны следующие варианты преобразования сигнала при постановке помех:

1. Перенос сигнала из входного СВЧ-диапазона в диапазон промежуточных частот, затем перенос в оптический диапазон, задержка, перенос из оптического в диапазон промежуточных частот и перенос сигнала в исходный СВЧ-диапазон.

2. Перенос сигнала из входного СВЧ-диапазона в диапазон промежуточных частот, затем обратный перенос в исходный СВЧ-диапазон, перенос в оптический диапазон, задержка, перенос из оптического в исходный СВЧ-диапазон.

В первом случае линия задержки включается в разрыв устройства сдвига спектра по частоте. Во втором случае линия задержки включается после устройства сдвига спектра по частоте. Это обеспечивает идентичность частотных диапазонов на входе и выходе постановщика помех при выполнении задержки в наиболее низкочастотном из двух диапазонов – диапазона промежуточных частот и входного частотного диапазона.

На фиг. 1 – 3 представлены варианты структурной схемы устройства постановки имитационных помех, работающего по предлагаемому способу. Фиг. 1, 2 и 3 соответствуют пунктам 1, 2 и 3 формулы изобретения, отражающим различные варианты предлагаемого способа.

Сущность предлагаемого способа поясняется на примере работы устройства постановки помех (фиг. 1), которое содержит: 1 – линию задержки; 2 – устройство сдвига спектра по частоте; 3 – устройство управления. Линия задержки включает в себя: 4 – входной коммутатор; 5 – электрооптический преобразователь; 6 – отрезок оптического волокна; 7 – оптоэлектронный преобразователь; 8 – выходной коммутатор. Устройство сдвига спектра по частоте включает в себя: 9 – первый смеситель; 10 – первый гетеродин; 11 – полосовой фильтр; 12 – второй смеситель; 13 – второй гетеродин.

Устройство постановки помех работает следующим образом. Входной СВЧ-сигнал поступает в линию задержки 1, а именно на вход 4а входного коммутатора 4 линии задержки 1, который передаёт сигнал со своего выхода 4с на вход 5а электрооптического преобразователя 5. С выхода 5b электрооптического преобразователя 5 сигнал, преобразованный в оптический диапазон, поступает на вход 6а отрезка оптического волокна 6. С выхода 6b отрезка оптического волокна 6 сигнал поступает на вход 7а оптоэлектронного преобразователя 7, который переносит сигнал из оптического диапазона обратно в СВЧ-диапазон. С выхода 7b оптоэлектронного преобразователя 7 преобразованный сигнал поступает на вход 8а выходного коммутатора 8. В зависимости от требуемой задержки СВЧ-сигнала выходной коммутатор подаёт сигнал либо на выход 8с, который является выходом линии задержки 1, либо на выход 8b, с которого сигнал поступает на вход 4b входного коммутатора 4. Устройство управления 3 осуществляет переключение коммутаторов 4 и 8 при помощи выходов 3а и 3b, которые связаны с управляющими входами коммутаторов 4d и 8d соответственно. С выхода 8с линии задержки 1 сигнал поступает в устройство сдвига спектра по частоте 2. В устройстве сдвига спектра по частоте 2 сигнал поступает на вход 9a первого смесителя 9. На вход 9b смесителя 9 поступает сигнал гетеродина 10 (выход 10b). При прохождении через смеситель 9 сигнал в соответствии с частотой гетеродина переносится на промежуточную частоту и поступает с выхода 9c смесителя 9 на вход 11a полосового фильтра 11. Фильтром 11 выполняется выделение сигнала промежуточной частоты на фоне гармоник и помех. С выхода 11b фильтра 11 сигнал поступает на вход 12a второго смесителя 12. На вход 12b второго смесителя 12 поступает сигнал гетеродина 13(выход 13b). Частоты гетеродинов 10, 13 выставляются по сигналам устройства управления 3, поступающим с выхода 3c на вход 10a и с выхода 3d на вход 13a.

Аналогичным образом работают устройства постановки помех, изображенные на фиг. 2, 3. В первом случае линия задержки 1 включается в разрыв устройства сдвига спектра по частоте 2 перед или после фильтра 11 (на фиг. 2 для примера изображен вариант включения линии задержки 1 после фильтра 11). Во втором случае линия задержки 1 включается после устройства сдвига спектра по частоте 2. Управление коммутаторами и гетеродинами во всех вариантах выполняется устройством управления 3.

Регулируемая линия задержки 1 может быть выполнена на основе электрооптического преобразователя, оптоволокна, оптоэлектронного преобразователя и СВЧ-коммутаторов. Электрооптический преобразователь 5 в зависимости от требуемого частотного диапазона может быть выполнен либо в виде источника оптического излучения и внешнего оптического модулятора, либо в виде источника оптического излучения с возможностью прямой модуляции выходного оптического излучения. Управление рабочей точкой модулятора и термостабилизацией лазера может обеспечивать устройство управления 3 или другое устройство управления (на фиг. 1 – 3 не показано). Для отрезка оптического волокна 6 целесообразно использовать одномодовое волокно. Длина отрезка выбирается исходя из требуемых величин задержки СВЧ-сигнала. Оптоэлектронный преобразователь 7 может быть выполнен в виде pin-фотодиода или лавинного фотодиода и может содержать последовательно включенный электрический усилитель. Коммутаторы 4, 8 могут быть выполнены в виде монтируемых на плату микросхем электронных коммутаторов со временем коммутации, не превышающим время прохождения сигнала через линию задержки.

Электрооптический преобразователь 5, отрезок оптического волокна 6 и оптоэлектронный преобразователь 7 должны быть согласованы по рабочим длине волны и мощности. Входящий в состав оптоэлектронного преобразователя 7 усилитель должен компенсировать затухание, вносимое электрооптическим преобразователем 5 и отрезком оптического волокна 6. При невозможности компенсировать затухание усилителем оптоэлектронного преобразователя 7 необходимо использовать СВЧ-усилитель с системой автоматической регулировки усиления для защиты СВЧ-коммутаторов 4 и 8 и электрооптического преобразователя 5. Либо необходимо использовать оптический усилитель с необходимым коэффициентом усиления, достаточным, чтобы компенсировать внесённое затухание и не перегрузить оптоэлектронный преобразователь 7.

Устройство сдвига спектра по частоте может быть выполнено на основе типовых компонентов СВЧ-электроники: смесителей и полосового фильтра. В качестве гетеродинов целесообразно использовать идентичные по исполнению перестраиваемые генераторы, стабилизированные петлей фазовой автоподстройки частоты. При этом генераторы должны быть настроены на заданные частоты, разница между которыми определяет сдвиг помехового сигнала относительно принятого.

Устройство управления 3 может быть выполнено на основе микроконтроллера или ПЛИС. Величины задержки и частотного сдвига, которые должно обеспечить устройство постановки помех, могут задаваться по внешнему сигналу управления или генерироваться самим устройством управления по заданному алгоритму.

Список источников

1. Куприянов, А. И. Теоретические основы радиоэлектронной борьбы: Учеб. пособие / А. И. Куприянов, А. В. Сахаров. – М.: Вузовская книга, 2007. – 356 с.

2. Перунов Ю.М., Фомичев К.И., Юдин Л.М. Радиоэлектронное подавление информационных каналов систем управления оружием. - М.: Радиотехника, 2008. – 416 с.

3. Н. Егоров, В. Кочемасов. Технология цифровой радиочастотной памяти и её применение в системах РЭБ. Электроника: Наука, технология, бизнес. №10, 2016. С. 62-71.

4. Kintex UltraScale+ FPGAs Data Sheet: Xilinx DS922 (v1.14) April 9, 2019.

5. Оружие и Технологии России XXI век. Том 13. Системы управления, связи и радиоэлектронной борьбы / Под общ. ред. С. Иванова, гл. ред. Н. Спасский. 2006. – 696 с.

6. СВЧ-коммутатор HMC547ALC3. URL https://www.analog.com/ru/
products/hmc547alc3.html.

7. СВЧ-коммутатор HMC-C071. URL: https://www.analog.com/ru/ products/hmc-c071.html.

8. Трансмиттер оптический OTS-2T/K5. URL: https:// sphotonics.ru/catalog/moduli-peredachi-svch-signalov-po-voloknu-dlya-shassi-optiva/ots2tk5xx40amp/.

9. Смеситель MAMX-011036. URL: https://www.macom.com/products /product-detail/MAMX-011036.

Изобретение относится к области радиоэлектронной защиты и может быть использовано при защите объекта путем постановки имитационных помех в направлении радиоэлектронных средств противника. В способе постановки имитационных помех преобразуют СВЧ-сигнал в оптический диапазон, задерживают сигнал путем одного или нескольких пропусканий через отрезок оптического волокна и переносят сигнал в исходный диапазон. Доплеровский сдвиг вносят двукратным переносом по частоте. Технический результат заключается в уменьшении мертвой зоны прикрытия за постановщиком помех при повышении пропускной способности по количеству целей. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ постановки имитационных помех, при котором в ответ на принятый сигнал излучается его копия, задержанная по времени и сдвинутая по частоте, отличающийся тем, что для принятого сигнала выполняют следующую последовательность действий: 1) переносят сигнал в оптический диапазон; 2) задерживают сигнал путем одного или нескольких пропусканий через отрезок оптического волокна; 3) переносят сигнал в диапазон, предшествующий переносу в оптический диапазон; 4) переносят сигнал в диапазон промежуточных частот; 5) переносят сигнал в исходный частотный диапазон; при этом взаимным сдвигом гетеродинных частот сдвигают частоту выходного сигнала относительно частоты принятого сигнала.

2. Способ постановки имитационных помех, при котором в ответ на принятый сигнал излучается его копия, задержанная по времени и сдвинутая по частоте, отличающийся тем, что для принятого сигнала выполняют следующую последовательность действий: 1) переносят сигнал в диапазон промежуточных частот; 2) переносят сигнал в оптический диапазон; 3) задерживают сигнал путем одного или нескольких пропусканий через отрезок оптического волокна; 4) переносят сигнал в диапазон, предшествующий переносу в оптический диапазон; 5) переносят сигнал в исходный частотный диапазон; при этом взаимным сдвигом гетеродинных частот сдвигают частоту выходного сигнала относительно частоты принятого сигнала.

3. Способ постановки имитационных помех, при котором в ответ на принятый сигнал излучается его копия, задержанная по времени и сдвинутая по частоте, отличающийся тем, что для принятого сигнала выполняют следующую последовательность действий: 1) переносят сигнал в диапазон промежуточных частот; 2) переносят сигнал в исходный частотный диапазон; при этом взаимным сдвигом гетеродинных частот сдвигают частоту выходного сигнала относительно частоты принятого сигнала; 3) переносят сигнал в оптический диапазон; 4) задерживают сигнал путем одного или нескольких пропусканий через отрезок оптического волокна; 5) переносят сигнал в диапазон, предшествующий переносу в оптический диапазон.