Способ радиоэлектронной защиты наземной РЛС кругового обзора и устройство для его реализации Российский патент 2024 года по МПК G01S7/36 H01B1/10 

Способ радиоэлектронной защиты наземной РЛС кругового обзора и устройство для его реализации относятся к области радиолокации и, конкретно, к способам и системам радиоэлектронной защиты РЛС от активных шумовых помех (АТТУП) различного происхождения. Устройство может использоваться в наземных РЛС с непрерывным и квазинепрерывным излучением, ведущих обзор пространства вращением антенны в азимутальной плоскости.

Известен способ радиоэлектронной защиты РЛС от АТТТП, воздействующих по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны (ДНА), путем их когерентной компенсации [1].

Известно устройство [1], реализующее известный способ, состоящее из: антенны основного канала, антенн компенсационных (вспомогательных) каналов, идентичных радиоприемных каналов с цифровым выходом, буферных запоминающих устройств (БЗУ), блока вычисления весовых коэффициентов (БВВК), комплексных умножителей и комплексного сумматора.

Работа известного устройства происходит следующим образом.

Максимум ДНА основного (защищаемого) канала РЛС устанавливается в заданном угловом направлении путем поворота антенны, либо заданием соответствующего амплитудно-фазового распределения на ее раскрыве. Максимумы ДНА компенсационных каналов аналогичными способами устанавливаются в направлениях приема помех (в направлениях источников помех). Максимум диаграммы направленности передающей антенны устанавливается в том же направлении, что и диаграмма направленности приемной антенны основного канала. Производится зондирование углового направления серией импульсов с низкой частотой повторения (период повторения импульсов соответствует интервалу однозначного измерения дальности) с приемом эхо-сигналов и помех в интервалах между зондированиями. Принятые сигналы после аналого-цифрового преобразования помещаются в БЗУ соответствующих каналов. Интервалы приема следуют за интервалами излучения импульсов. Число интервалов приема равно числу излученных импульсов.

Обучающие выборки интервалов противопомеховой адаптации поступают в БВВК, где для каждого из периодов повторения зондирующих импульсов производится оценка вектора весовых коэффициентов W. Оценка W производится по выражению

где - произвольная постоянная величина;

- N-мерная ковариационная матрица;

- операция нахождения среднего значения;

- операция комплексного сопряжения;

- операция транспонирования;

- N-мерный вектор, содержащий набор сигналов одного и того же элемента разрешения по дальности от N вспомогательных антенн;

- количество компенсационных каналов;

- вектор ковариации;

- вектор дискретных отсчетов радиолокационного сигнала, принятого из элемента разрешения по дальности.

В соответствии с (1) производится расчет векторов весовых коэффициентов W для М периодов повторения зондирующих импульсов. Результатом расчетов является матрица U размера N на М элементов.

Далее происходит компенсация помех в основном канале путем суммирования его сигнала с сигналами компенсационных каналов, взвешенными вектором W. Взвешенное суммирование сигналов каждого периода производится с использованием своего вектора весовых коэффициентов W₁, W₂ … W_M.

Согласно [1, с. 1221], метод, использующийся для случая низкой частоты повторения импульсов РЛС, исключает влияние ближайших мешающих отражений на адаптивные весовые коэффициенты за счет выбора свободных от мешающих отражений (пассивных помех) элементов разрешения по дальности (обучающей выборки) в конце каждого интервала приема.

Известен способ радиоэлектронной защиты наземной РЛС кругового обзора [3]. Способ [3] включает установку диаграмм направленности приемной и передающей антенн основного канала в заданном угловом направлении, установку ДНА компенсационных каналов в направлениях приема помех, зондировании пространства серией импульсов с низкой частотой повторения, последующий прием, аналого-цифровое преобразование и сохранение в оперативной памяти сигналов каждого приемного канала. Компенсация помех в основном канале производится путем суммирования его сигнала с сигналами компенсационных каналов, взвешенными динамическими весовыми коэффициентами, полученными интерполяцией отдельных оценок вектора весовых коэффициентов, рассчитанных по (1), полиномом Лагранжа по всей длительности принятых и хранящихся в оперативной памяти сигналов.

В способе [3] применена интерполяция полиномами Лагранжа для случая равномерно распределенных узлов [2], при которой для каждого приемного канала массив значений динамического весового коэффициента рассчитывается по формуле

где

х_с - номер интервала противопомеховой адаптации;

y_r - значение весового коэффициента в r-ом интервале противопомеховой адаптации;

М - число интервалов противопомеховой адаптации.

Известно устройство радиоэлектронной защиты наземной РЛС кругового обзора [3], состоящее из антенны основного канала, антенн компенсационных каналов по числу источников помех, идентичных радиоприемных каналов с цифровым выходом, буферных запоминающих устройств, блока вычисления весовых коэффициентов, комплексных умножителей и комплексного сумматора, блока интерполяции весовых коэффициентов, включенного между блоком вычисления весовых коэффициентов и комплексными умножителями.

В качестве наиболее близких аналогов выбраны рассмотренные способ радиоэлектронной защиты наземной РЛС кругового обзора [3] и устройство радиоэлектронной защиты наземной РЛС кругового обзора [3].

Недостатком аналогов является невозможность использования в РЛС с непрерывным (квазинепрерывным) излучением.

В РЛС с квазинепрерывным излучением используются сигналы со средней и высокой частотой повторения импульсов [1, с. 175-177], при приеме которых на входе приемника всегда присутствуют пассивные помехи, вызванные отражениями сигнала от подстилающей поверхности и местных предметов. Наличие пассивных помех не позволяет проводить адаптацию к активным помехам [1, с. 1221], реализованную в прототипе.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности компенсации активных шумовых помех, воздействующих по боковым лепесткам ДНА РЛС кругового обзора с непрерывным (квазинепрерывным) сигналом, и механическим вращением антенны.

Технический результат достигается использованием в системе с выделенными компенсационными каналами динамических весовых коэффициентов, получаемых интерполяцией оценок весового вектора, вычисленных по сигналу активной шумовой помехи вне спектра сигнала РЛС.

Способ радиоэлектронной защиты наземной РЛС кругового обзора включает установку диаграмм направленности передающей антенны и приемной антенны основного канала в заданном угловом направлении, установку максимумов диаграмм направленности компенсационных каналов в направлениях приема помех, зондирование пространства, последующие прием, аналого-цифровое преобразование и сохранение в оперативной памяти сигналов каждого приемного канала, расчет матрицы векторов весовых коэффициентов, расчет динамических весовых коэффициентов, компенсацию помех в основном канале путем суммирования его сигнала с сигналами компенсационных каналов, взвешенных динамическими весовыми коэффициентами, отличающийся тем, что, матрица векторов весовых коэффициентов рассчитывается по помехе, находящейся вне спектра полезного сигнала РЛС.

Реализация заявленного способа радиоэлектронной защиты наземной РЛС кругового обзора по азимуту требует М интервалов противопомеховой адаптации, равномерно распределенных в течение интервала когерентной обработки сигнала, так, что первый и последний интервалы располагаются в начале и конце интервала когерентной обработки сигнала. Выбор числа интервалов противопомеховой адаптации производится на основе компромисса между требованиями к снижению влияния вращения антенны РЛС на эффективность компенсации помех и вычислительными затратами на реализацию способа. Чем больше интервалов противопомеховой адаптации, тем меньше влияние вращения антенны РЛС на эффективность компенсации помех.

Суть заявленного способа радиоэлектронной защиты наземной РЛС кругового обзора состоит в интерполяции промежуточных значений элементов вектора весовых коэффициентов W, при этом интервалы противопомеховой адаптации выбираются равномерно в течение интервала когерентной обработки сигнала. Принцип использования динамического весового коэффициента для одного приемного канала показан на фиг.1. На фиг.1.а показан интервал когерентной обработки сигнала 1 и интервалы противопомеховой адаптации 2. На фиг.1.b показы дискретные весовые коэффициенты, полученные для соответствующих интервалов противопомеховой адаптации. На фиг.1.с пунктиром показан динамический весовой коэффициент, являющийся интерполяционным полиномом Лагранжа, полученным интерполяцией значений элементов n-ой строки матрицы весовых коэффициентов U в каждом дискретном отсчете массива динамического весового коэффициента v. Индекс j соответствует номеру дискретного отсчета принятого сигнала при сквозной нумерации по всей его длительности.

Заявленное устройство радиоэлектронной защиты наземной РЛС кругового обзора (фиг.2), состоящее из: антенны основного канала А.0, антенн компенсационных каналов A.1-A.N по числу источников помех, радиоприемных каналов с цифровым выходом РПрК.0-РПрК.N, буферных запоминающих устройств БЗУ.0-БЗУ.N, блока вычисления весовых коэффициентов БВВК, блока интерполяции весовых коэффициентов БИВК, комплексных умножителей П.1-П.N и комплексного сумматора ∑, отличается от известного наличием режекторных фильтров РФ.0-РФ.N, включенных между БЗУ и БВВК, полосовых фильтров ПФ.1-ПФ.N, включенных между БЗУ компенсационных каналов и П.1-П.N, и полосового фильтра ПФ.0, включенного между БЗУ.0 и комплексным сумматором 2. Благодаря чему заявленное устройство обеспечивает более эффективное подавление АШП, воздействующих по боковым лепесткам ДНА основного канала при вращении антенны РЛС в азимутальной плоскости.

Изобретения иллюстрируются следующими чертежами: Фиг. 1 - принцип формирования динамического весового коэффициента одного приемного канала. На фиг. 1.а показан интервал когерентной обработки сигнала (1) и интервалы противопомеховой адаптации (2). На фиг.1.b показано расположение моментов расчета весовых коэффициентов На фиг.1.с пунктиром показан интерполяционный полиномом Лагранжа полученный интерполяцией значений элементов n-ой строки матрицы весовых коэффициентов

Фиг. 2 - структурная схема заявленного устройства радиоэлектронной защиты наземной РЛС кругового обзора;

A.0-A.N - приемные антенны, из которых А.0 - антенна основного канала, a A.1-A.N - антенны компенсационных каналов;

РПрК.0-РПрК.N - радиоприемные каналы с цифровым выходом, реализующие классические функции обработки радиосигналов;

БЗУ.0-БЗУ.N - буферные запоминающие устройства;

РФ.0-РФ.N - режекторные фильтры;

ПФ.0-ПФ.N - полосовые фильтры;

П.1-H.N - комплексные умножители;

∑ - комплексный сумматор;

БВВК - блок вычисления весовых коэффициентов;

БИВК - блок интерполяции весовых коэффициентов.

Фиг. 3 - амплитудно-частотные характеристики:

4 - радиоприемного канала;

5 - режекторного фильтра;

6 - полосового фильтра.

Фиг. 4 - зависимости суммарной мощности помех, сигнала цели и шумов приемника от азимутального положения антенны:

7 - до компенсации помех;

8 - после компенсации при одном интервале противопомеховой адаптации;

9 - после компенсации заявленным способом.

На фиг. 4 условно обозначены П1, П2 и Ц - азимутальные направления на 2 источника помех и цель соответственно.

Заявленный способ включает:

установку диаграмм направленности приемной и передающей антенн основного канала в заданном угловом направлении, установку ДНА компенсационных каналов в направлениях приема помех, зондирование пространства непрерывным или квазинепрерывным сигналом, последующий прием, аналого-цифровое преобразование и сохранение в оперативной памяти сигналов каждого приемного канала;

фильтрацию сигналов с выходов всех радиоприемных каналов режекторными фильтрами, пропускающими помеху вне полосы полезного сигнала РЛС;

по отфильтрованным сигналам помех расчет по выражению (1) матрицы векторов весовых коэффициентов с последующей их интерполяцией полиномом Лагранжа по выражению (2) по всей длительности интервала когерентной обработки сигнала;

фильтрацию сигналов с выходов всех радиоприемных каналов полосовыми фильтрами, согласованными с шириной спектра полезного сигнала РЛС;

компенсацию помех в основном канале путем суммирования его сигнала с сигналами компенсационных каналов, прошедших через полосовые фильтры, взвешенными динамическими весовыми коэффициентами.

Заявленное устройство радиоэлектронной защиты наземной РЛС кругового обзора (фиг.2), реализующее заявленный способ, состоит из: антенны основного канала А.0, антенн компенсационных каналов A.1-A.N по числу источников помех, идентичных радиоприемных каналов с цифровым выходом РПрК.0-РПрК.N, буферных запоминающих устройств БЗУ.0-БЗУ.N, полосовых фильтров ПФ.0-ПФ.N, режекторных фильтров РФ.0-РФ.N, блока вычисления весовых коэффициентов БВВК, блока интерполяции весовых коэффициентов БИВК, комплексных умножителей П.1-П.N и комплексного сумматора Σ.

Работа заявленного устройства радиоэлектронной защиты наземной РЛС кругового обзора (фиг. 4) осуществляется в четыре этапа.

На первом этапе, максимум ДНА основного канала РЛС устанавливается в заданном угловом направлении путем поворота антенны, либо заданием соответствующего амплитудно-фазового распределения на ее раскрыве. Максимумы ДНА компенсационных каналов аналогичными способами устанавливаются в направлениях приема помех. Максимум диаграммы направленности передающей антенны устанавливается в том же направлении, что и диаграмма направленности приемной антенны основного канала. Производится излучение непрерывного (квазинепрерывного) сигнала и прием эхо-сигналов всеми радиоприемными каналами. Принятые сигналы, на выходе приемных каналов, преобразуются в цифровую форму и помещаются в БЗУ соответствующего приемного канала.

На втором этапе сигналы из БЗУ через РФ поступают в БВВК, в котором согласно (1) производится расчет векторов весовых коэффициентов для каждого интервала противопомеховой адаптации. Всего производится расчет М векторов весовых коэффициентов. Каждый интервал противопомеховой адаптации содержит определенное число выборок сигнала (как правило от 20 до 200). М интервалов противопомеховой адаптации расположены равномерно на интервале когерентной обработки сигнала. Результатом второго этапа является матрица U, размера N на М элементов, содержащая М векторов весовых коэффициентов W размерностью N каждый.

На третьем этапе БИВК производит интерполяцию весовых коэффициентов полиномом Лагранжа. На вход БИВК поступает матрица U, в соответствии с (2) производится расчет интерполированных значений динамических весовых коэффициентов Результатом расчетов является двумерный массив динамических весовых коэффициентов, содержащий N динамических весовых коэффициентов, объемом, соответствующим числу элементов принятого и хранящегося в БЗУ сигнала каждый.

На четвертом этапе производится когерентная компенсация помех в основном канале. При этом сигнал с выхода БЗУ.0 через ПФ.0 поступает на вход комплексного сумматора, а сигналы, хранящиеся в БЗУ.1-БЗУ.N, через ПФ.1-П.N поступают на входы комплексных умножителей П.1-П.N, где перемножаются с аналогичными по длительности соответствующими динамическими весовыми коэффициентами. Полученные в результате данной операции цифровые сигналы поэлементно суммируются комплексным сумматором Σ. С выхода комплексного сумматора Σ снимается цифровой сигнал основного канала, очищенный от активных шумовых помех. Далее сигнал подвергается дальнейшей обработке в РЛС.

На всех этапах работы заявленного устройства сигнал представлен в цифровой квадратурной (комплексной) форме. Расчеты по (1) и (2) производятся по каждой из квадратур сигнала в отдельности.

Заявленный технический результат подтвержден методом имитационного компьютерного моделирования радиолокационной системы со следующими техническими характеристиками.

Антенна основного канала - эквидистантная фазированная антенная решетка (ФАР) с цифровым диаграмообразованием, число приемных элементов 40×40 (гориз. × верт.), амплитудное распределение - cos² на пьедестале 0,2 в обеих плоскостях, расстояние между приемными элементами 0,5λ (λ - длина волны РЛС) по азимуту и 0,5λ, по углу места. ДНА основного канала не отклонена от нормали. ФАР расположена строго вертикально.

Антенны компенсационных каналов - подрешетки ФАР основного канала расположенные в центре ФАР основного канала, число приемных элементов 10×40 (гориз. * верт.), амплитудное распределение равномерное. Максимумы ДНА компенсационных каналов в начале каждого обзора углового направления ориентированы на соответствующие источники помех.

Радиоприемные тракты основного и компенсационных каналов идентичны и имеют сквозную полосу пропускания 10 МГц.

Полоса пропускания фильтра основного канала согласована с шириной спектра сигнала 2 МГц.

Фильтры всех компенсационных каналов идентичны и имеют две полосы пропускания шириной 2 МГц каждая, расположенные симметрично центру полосы пропускания фильтра основного канала со смещением на 3 МГц в область низких и высоких частот соответственно.

Зондирующий сигнал - непрерывный (квазинепрерывный). Интервал когерентного накопления (длительность) сигнала - 3 мс.

Объем интервала противопомеховой адаптации - 32 выборки. Число интервалов противопомеховой адаптации - 7. Интервалы противопомеховой адаптации распределены равномерно на интервале когерентного накопления.

Скорость обзора пространства (вращения антенны по азимуту) 240%, соответствует периоду вращения антенны РЛС 1,5 с.

Помехи - активные шумовые с постоянной спектральной плотностью мощности в полосе приемного устройства РЛС, воздействующие с направлений -13,5° и 9,3° по азимуту и 0° по углу места. Отношение помеха/шум 50 дБ.

Цель - точечная, не флуктуирующая, азимут 0,5°, угол места 0°, отношение сигнал/шум 18 дБ.

Результаты моделирования приведены на фиг.4. Из результатов следует, что при компенсации с одним интервалом противопомеховой адаптации (8) обнаружение сигнала цели на фоне помехи невозможно. При компенсации заявленным способом сигнал цели наблюдается, а помеха практически отсутствует (9).

Эффективность технического результата зависит от параметров антенной системы РЛС, скорости ее вращения, длительности интервала когерентного накопления, числа интервалов противопомеховой адаптации и других факторов. В рассмотренном примере показана возможность выделения сигнала из помех, что свидетельствует о повышении эффективности компенсации АШП и подтверждает достижение заявленного технического результата. Потенциальная эффективность технического результата - полное устранение влияния вращения антенной системы РЛС на качество компенсации помех.

Литература

1. Справочник по радиолокации под ред. М.И. Сколника. Пер. с англ. Под общей ред. B.C. Вербы. Книга 2. М.: Техносфера, 2014.

2. Ващенко Г.В. Вычислительная математика: основы алгебраической и тригонометрический интерполяции. Красноярск: СибГТУ, 2008.

3. Патент РФ №2586112. Способ радиоэлектронной защиты наземной РЛС кругового обзора и устройство для его реализации.

Группа изобретений относится к области радиолокации и, конкретно, к способам и системам радиоэлектронной защиты активных РЛС от активных шумовых помех. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности компенсации активных шумовых помех, воздействующих по боковым лепесткам диаграммы направленности РЛС кругового обзора с непрерывным или квазинепрерывным сигналом, и механическим вращением антенны. В системе с выделенными компенсационными каналами используют динамические весовые коэффициенты, получаемые интерполяцией оценок весового вектора, вычисленных по сигналу активной шумовой помехи вне спектра сигнала РЛС. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ радиоэлектронной защиты наземной радиолокационной станции (РЛС) кругового обзора включает установку диаграмм направленности передающей антенны и приемной антенны основного канала в заданном угловом направлении, установку максимумов диаграмм направленности компенсационных каналов в направлениях приема помех, зондирование пространства, последующие прием, аналого-цифровое преобразование и сохранение в оперативной памяти сигналов каждого приемного канала, отличающийся тем, что зондирование пространства проводят непрерывным или квазинепрерывным сигналом, осуществляют для сигналов каждого приемного канала фильтрацию сигналов с выходов всех радиоприемных каналов режекторными фильтрами, пропускающими помеху вне полосы полезного сигнала РЛС, по отфильтрованным сигналам помех осуществляют расчет матрицы векторов весовых коэффициентов с последующей интерполяцией промежуточных значений элементов векторов весовых коэффициентов полиномом Лагранжа на интервалах противопомеховой адаптации, равномерно распределенных по всей длительности интервала когерентной обработки сигнала, в результате чего формируется массив динамических весовых коэффициентов, далее проводят фильтрацию сигналов с выходов всех радиоприемных каналов полосовыми фильтрами, согласованными с шириной спектра полезного сигнала РЛС, и осуществляют компенсацию помех в основном канале путем суммирования его сигнала с сигналами компенсационных каналов, прошедших через полосовые фильтры, взвешенными динамическими весовыми коэффициентами, получая цифровой сигнал основного канала, очищенный от активных шумовых помех.

2. Устройство радиоэлектронной зашиты наземной РЛС кругового обзора, состоящее из антенны основного канала, антенн компенсационных каналов по числу источников помех, радиоприемных каналов с цифровым выходом, буферных запоминающих устройств, блока вычисления весовых коэффициентов, блока интерполяции весовых коэффициентов, комплексных умножителей и комплексного сумматора, отличающееся тем, что в его состав дополнительно введены режекторные фильтры, обеспечивающие пропускание помехи вне полосы полезного сигнала РЛС, включенные между буферными запоминающими устройствами компенсационных каналов и комплексными умножителями, и полосовой фильтр, включенный между буферным запоминающим устройством основного канала и комплексным сумматором, при этом антенна основного канала и антенны компенсационных каналов выполнены с возможностью зондирования пространства непрерывным или квазинепрерывным сигналом, блок интерполяции весовых коэффициентов выполнен с возможностью формирования массива динамических весовых коэффициентов посредством интерполяции промежуточных значений элементов векторов весовых коэффициентов полиномом Лагранжа на равномерно распределенных по длительности интервала когерентной обработки интервалах противопомеховой адаптации, а полосовые фильтры основного и компенсационных каналов согласованы с шириной спектра полезного сигнала РЛС.