РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА ОХРАНЫ ВОЗДУШНОГО ПЕРИМЕТРА Российский патент 2024 года по МПК G01S13/88 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для обнаружения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) малоразмерных, малоскоростных и низколетящих в заданном секторе оборудованных тянущими или толкающими винтами.

Также может быть использована для пеленгации несанкционированного доступа БПЛА в контролируемую зону и отслеживания их перемещения.

В современных военных конфликтах и в условиях мирного времени нарастающее значение приобретает задача предотвращения и отражения террористических угроз. Для террористов характерно применение ограниченных сил и малогабаритных переносных систем оружия, обладающих достаточной разрушительной силой для нанесения неприемлемого ущерба объектам, имеющим стратегическое значение. Опыт показывает, что целями террористических атак могут быть центры государственного и военного управления, крупные энергетические и транспортные узлы, зоны массового скопления людей и т.д. Совершенствование систем защиты от проникновения небольших групп или малогабаритных технических средств требует государственная граница. Одним из опасных и в тоже время трудно обнаруживаемых и трудно поражаемых средств террористической деятельности являются малогабаритные беспилотные летательные аппараты (БЛА), самолетного или вертолетного типа (например, квадрокоптеры). Они могут выполнять задачи разведки, целеуказания и нанесения удара различными поражающими средствами. Такие БЛА малозаметны для всех средств обнаружения и наведения оружия, способны неожиданно появляться на небольших расстояниях от охраняемых объектов, перемещаются на малой и большой высоте, быстро или, наоборот, очень медленно, что особенно затрудняет их наблюдение на фоне местности. При нападении с использованием БЛА возможно их групповое применение, что особенно затрудняет организацию противодействия и предъявляет высокие требования к темпу обзора охраняемого пространства.

Эффективным средством борьбы с БЛА являются радиолокационные системы. Однако большинство существующих РЛС не обладают характеристиками, достаточными для надежного обнаружения малоразмерных БЛА, особенно при малых скоростях их полета. Главной причиной малой эффективности РЛС является трудность разрешения противоречивых требований:

1) для обнаружения и распознавания малоскоростного БЛА необходимо длительное, измеряемое десятыми долями секунды, когерентное накопление сигнала от цели, фактически, от каждого разрешаемого элемента охраняемого пространства;

2) необходим высокий темп обзора охраняемой зоны, состоящей из сотен и тысяч наблюдаемых элементов - на смену всего кадра изображения нельзя расходовать более 1…2 с.

Если сухопутная или водная часть границы сектора или периметра более/менее охраняется системами на выбор или частично совместными:

- Акустическими

- Телевизионными

- Тепловыми

- Собаками

- Инфракрасными

- Электромагнитными

- Видеонаблюдение и пр.

то охрана воздушного пространства от малоскоростных, малошумных, низколетящих, мало радиолокационно заметных для современных РЛС почти невозможна.

Пеленгация (обнаружение) БПЛА является очень сложной технической задачей и в настоящее время не существует достаточного приемлемого способа ее решения, тем более определение его координат.

Известны РЛС обнаружения малоскоростных и малоразмерных целей зарубежного и отечественного производства, см. книгу А.А. Лавров и др. «Многолучевые радиолокаторы в составе охранных комплексов», М, Радиотехника, 2017 г.

Приведенные типы РЛС основаны на классическом принципе радиолокации: зондирующий электромагнитный сигнал - отраженный принятый ответ и его алгоритмическая обработка по СПО.

Недостаток приведенных в книге примеров следующий:

- Эффективная площадь рассеивания цели должна быть ≥0,5 м²

- Очень сложная алгоритмическая обработка

- Большие погрешности измерения дальности и углов азимута и места

- Недостаточная помехоустойчивость

- Сложность определения дронов в «Волчьей стае» (количество ≈ до 100 шт.)

Обычные разведочные и боевые БПЛА большой массы и габаритов легко обнаруживаются современными РЛС, входящих в состав зенитно-ракетных комплексов. Другое дело обнаружить малогабаритные дроны с минимальным весом и габаритом и сделанные из композитных и разнопрозрачных материалов, к тому же летящие почти на уровне земли. Обнаружение их - архисложная техническая задача.

В настоящее время существуют системы и способы обнаружения винтокрылых БПЛА, основанные на радиочастотных и акустических датчиках. Существующие системы и способы обнаружения винтокрылых БПЛА с использованием радиочастотных датчиков обнаруживают источники радиоизлучения, которыми в винтокрылых БПЛА являются системы управления или передачи телеинформации, определяют их координаты при помощи гониометрических методов и других высокоточных методов определена координат.

Существующие акустические системы и способы обнаружения летательных аппаратов включают набор акустических датчиков или акустических антенн, предназначенных для приема акустических сигналов, блоков обработки, классификации и определения координат источников акустических сигналов.

Известна система и способ обнаружения винтокрылых беспилотных летательных аппаратов, описанные в патенте US 7957225 В2, в которых принимают акустический сигнал с БПЛА по его акустической модуляции по амплитуде и/или частоте помощью набора акустических датчиков, классифицируют источник акустического сигнала на основе спектрального анализа акустического сигнала, определяют горизонтальные координаты и высоту источника акустического сигнала на основе анализа, по меньшей мере четырех акустических сигналов, полученных от четырех акустических датчиков. Данные система и способ выбраны в качестве прототипа заявленного изобретения.

Недостатком системы и прототипа является недостаточная точность определения типа и параметров винтокрылого БПЛА и информативность данных о винтокрылом БПЛА вследствие отсутствия возможности автоматического видеонаблюдения за винтокрылым БПЛА в дополнение к методам обнаружения БПЛА с помощью спектрального и временного анализа акустического сигнала, а также очень большая сложность и стоимость.

Известна система и способ обнаружения винтокрылых беспилотных летательных аппаратов, см. патент РФ №2593439.

Изобретение относится к области систем безопасности, предназначены для предотвращения несанкционированного доступа БПЛА в контролируемую зону и отслеживания перемещения винтокрылых БПЛА в контролируемой зоне с одновременной их аутентификацией. Техническим результатом этого изобретения является создание системы и способы обнаружения винтокрылых беспилотных летательных аппаратов с увеличенной точностью определения типа и параметров винтокрылого БПЛА и увеличенной информативностью данных о винтокрылом БПЛА за счет автоматического видеонаблюдения за винтокрылым БПЛА в дополнение к методам обнаружения БПЛА с помощью спектрального и временного анализа акустического сигнала акустическими датчиками. Акустические сигналы, издаваемые БПЛА это, в основном, шум работы двигателя и шум пропеллера (ров).

Недостатки те же, что и в предыдущем патенте. Кроме того, система не работоспособна в условиях сильных шумов и в плохих метеоусловиях: сильный ветер, снегопад, гроза. К тому же очень сложное техническое решение и система стационарна.

Также известен способ обнаружения БПЛА с помощью пассивных РЛС, так называемой теплорадиолокации, но он не эффективен против малоразмерных БПЛА.

Проблема защищенности от БПЛА имеет фундаментальный характер и может быть решена путем совершенствования существующей техники обнаружения БПЛА. Использование заградительных помех с земли неэффективно из-за энергетических проблем. Также заградительная помеха лишит собственные войска возможности пользоваться радиосвязью.

По мнению авторов, обнаружение БПЛА радиолокационными способами довольно просто, если эффективная площадь рассеивания его довольно высока, хотя бы ≥0,5 м². Если же ниже этого, то уже почти невозможно, а если БПЛА сделан по технологии СТЕЛС и из композитов, то никак.

Предложенный способ (система) обнаружения БПЛА по спутному следу из известных источников авторами не выявлено.

Технической задачей изобретения является безусловное обнаружение малоскоростных и малоразмерных и низколетящих воздушных целей, таких как беспилотные винтокрылые летательные аппараты с тянущими или толкающими винтами, также вычисление их параметров полета: дальность, высота и угловые координаты.

Технический результат достигается за счет применения когерентной доплеровской РЛС (профайлера) миллиметрового диапазона электромагнитного излучения, а в качестве отражающей поверхности от зондирующих сигналов используется спутный след от БПЛА, точнее турбулентные потоки в этом следе, также за счет вычисления координат БПЛА на аппаратно-программном принципе и математической обработке так называемого метода временного накопления (интегрирования во времени).

Заметим, что турбулентность в спутниковом следе винтокрылых БПЛА возникает за счет вращения самого винта и от аэродинамического качества самого БПЛА, а отражение зондирующего сигнала происходит от молекул воздуха, капель воды, загрязнений воздуха пылью, дымом и пр.

Коэффициент турбулентности - это безразмерная величина ≡ скорости изменения отраженного сигнала во времени Δt_из.

В спокойной атмосфере К близка к нулю. Турбулентность определяется и вычисляется профайлером по изменениям скорости и направлений ветровых потоков во времени.

Система состоит из трех основных частей: БПЛА (N≥1) - его спутных следов и профайлера.

В работе принимают участие: профайлеры и спутный след БПЛА.

Периметр в плане представляет собой замкнутую линию в виде окружности, овала или многоугольника. N профайлеров расположены таким образом, что их диаграммы направленности (ДН) перекрывают все воздушное пространство над периметром и вокруг его на 1-2 км. Сухопутная или водная граница контролируется другими системами.

Каждый профайлер сканирует свой сектор по углам азимута и места, определяет параметры ветра, а по ним вычисляет турбулентность, точнее ее наличие и параметры и выдает их на ЗРК (типа Панцирь-М) с привязкой по дальности и угловым координатам по интерфейсу типа RS-232.

Профайлеры для данной системы выполнены по классической схеме РЛС профайлеров, но с изменениями: время интегрального накопления отраженных сигналов (для увеличения отношения сигнал/шум) резко сокращено за счет схемного решения вычислителя РЛС и некоторого изменения СПО РЛС. Это увеличивает ее быстродействие, а значит достоверность результатов.

При обнаружении и вычислении координат турбулентности от БПЛА интерполируются и координаты самого БПЛА.

На фиг. изображения структурная электрическая схема РЛС профайлера (как пример), на которой изображено:

1 - ФАР

2 - блок приводов антенны по углам азимута и места

3 - блок передатчика РПВ с усилителем мощности СВЧ-сигнала

4 -аналого-цифровой приемник РПВ

5 -блок обработки радиолокационной информации

6 -блок управления и задающего генератора РПВ

7 -автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора РПВ (при необходимости)

8 -блок управления двигателями приводов антенны

9 -секция излучателя антенной решетки (1…N штук)

10 -сумматор

11 - резонансный усилитель

12 -специальное программное обеспечение (СПО)

13 - спутный след

ДШ1 - ДШ10 - дуплексные (двунаправленные) информационно-управляющие шины связи.

Источник питания условно не показан.

Схема имеет следующие соединения: блок управления РПВ 6 второй ДШ соединен со входом блока передатчика 3, третьей ДШ с аналоге- цифровым приемником 4, пятой ДШ - с блоком обработки радиолокационной информации 5, шестой ДШ - с АРМ оператора 7, вход-выход передатчика 3 соединен первой ДШ с ФАР 1, выход передатчика соединен через резонансный усилитель 11 со входом аналого-цифрового приемника 4, который через четвертую ДШ соединен с блоком обработки радиолокационной информации 5, который в свою очередь через седьмую ДШ соединен с АРМ оператора 7 и десятой ДШ с СПО 12, АРМ оператора восьмой ДШ соединен с блоком управления двигателями антенны 8, который девятой ДШ соединен с блоком приводов антенны 2; генератор блока управления 6 соединен с АЦП 4, метеонеоднородности атмосферы 14 соединены с ФАР РПВ 1.

Блоки системы имеют следующие функции.

Блок управления и задающего генератора передает СВЧ-сигнал на усилитель мощности блока передатчика, который усиливают его до необходимой мощности и передает его на ФАР, так же через ФАР принимается отраженный сигнал и через блок передатчика передается в аналого-цифровой приемник РПВ.

Аналого-цифровой приемник РПВ получает принимаемый ответный сигнал от блока передатчика РПВ, усиливает и преобразует его и передает в блок обработки радиолокационной информации.

Блок обработки радиолокационной информации принимает сигнал от аналого-цифрового приемника РПВ, производит необходимую обработку и результаты обработки передает в АРМ оператора РПВ.

АРМ оператора РПВ управляет через блок управления и задающего генератора РПВ всей работой РПВ, положением антенны, а также получает обработанную информацию от блока обработки радиолокационной информации, преобразует ее в необходимый вид для дальнейшего использования, учета и хранения.

Резонансный усилитель 11 поднимает отношение сигнал/шум с выход.

Необходимо отметить некоторые общие особенности оценки погрешности измерения параметров ветра.

Точность измерений параметров ветра и турбулентности в значительной мере будет зависеть от энергетического потенциала радиолокатора - соотношения сигнал/шум и особенностей обработки сигнала [Горелик А.Г., Князев Л.В., Углова Л.Н. Радиолокационные отражения от «ясного неба» в дециметровом диапазоне радиоволн // Изв. АН СССР, ФАО, т.IX, вып.2, 1973.]. Достоверность измерений при этом будет определяется методиками статистической обработки данных.

С другой стороны, оценить разрешение по скорости и дальности можно с помощью известных соотношений:

где: ΔV_в - разрешение по скорости;

λ - длина волны;

Δτ_и - длительность радиоимпульсов.

Разрешение по скорости увеличивается по мере уменьшения длительности радиоимпульсов. Но при этом ухудшается разрешение по дальности равное ΔR=сΔτ_и/2. В результате, разрешение по дальности и скорости связаны соотношением неопределенностей:

где: ΔR - разрешение по дальности;

ΔV_B - разрешение по скорости;

λ - длина волны;

с - скорость света.

Для повышения уровня отраженного сигнала осуществляется процедура когерентного накопления информации и последующая цифровая обработка.

С учетом выбранной геометрии зондирования можно рассчитать доплеровский сдвиг (диапазон частот в доплеровском спектре) при максимальной скорости ветра 100 м/с:

где: F_д,max - частота доплеровского сдвига;

V_max - скорость ветра, максимальная;

ε - угол наклона луча;

λ - длина волны.

Столь малое значение доплеровских частот (единицы герц) [Горелик А.Г. Доплеровская радиолокация в метеорологии // МГАПИ, 1906.] предъявляет повышенные требования к чистоте и стабильности всех генерируемых частот.

Поскольку уровень сигналов близок или на 10-25 дБ ниже уровня шумов, то необходимо максимально повышать чувствительность приемников и излучать мощности близкие к предельно возможным.

Оценки показывают, что минимальное значение средней излучаемой мощности Р, умноженной на площадь антенной системы S желательно довести до уровня P*S ≥ 10⁵ Вт*м².

На фиг. 2 изображена схема формирования отраженного сигнала от объема ветра и турбулентности: отраженный сигнал формируется объемом зондирования, который определяется шириной диаграммы направленности антенны и длительностью радиоимпульса. Прием отраженного сигнала осуществляется путем усреднения по времени в исследуемом интервале высот.Прием слабого отраженного сигнала производится путем когерентным накоплением энергии в течение длительного времени.

Параметры ветра описываются скоростью V(H) и направлением β₀(Н) являющиеся функциями высота и времени [А.Г. Горелик, С.Ф. Коломиец, Г.Г. Щукин. Информационные возможности ветровых профайлеров при зондировании атмосферы. // Метеорология. Ученые записки №18, МГАПИ, 2004.]. Пространственные изменения воздушного потока характеризуются скоростью V_г (х, у, Н, t) и направлением β₀ (х, у, Н, t) на высоте Н.

Величина доплеровского сдвига отраженного сигнала, направление зондирования и длина волны зондирующего сигнала связана с параметрами отражающего объема воздушного потока на высоте Н следующим соотношением [А.Г. Горелик, С.Ф. Коломиец, Г.Г. Щукин. Информационные возможности ветровых профайлеров при зондировании атмосферы. // Метеорология. Ученые записки №18, МГАПИ, 2004.]:

где V_г - горизонтальная составляющая ветра;

V_в - вертикальная составляющая ветра;

х, у - координаты рассеивающего объема на высоте Н;

β_З - направление зондирования;

ε_З - угол места.

РПВ пограничного слоя работают в диапазоне частот 1200-2000 МГц и отличаются небольшими размерами фазированных антенных решеток [Справочник. Использование радиочастотного спектра в метеорологии: прогнозирование и мониторинг погоды, климата и качества воды. WMO-ITU 2009. Издание 2008 г. Бюро радиосвязи. Отпечатано в Швейцарии Жненева, 2009 г. ISBN 92-61-12844-0.].

Поэтому изменение направления ДН осуществляется путем механического сканирования, изображенного на фиг. 3. Геометрическая структура схемы измерения составляющих доплеровской скорости ветра u, v, w позволяет вычислить направление и величину горизонтального ветра в анализируемом слое на измеряемой высоте по следующим соотношениям:

Определив все эти параметры в каждый объем измерения, вычисляется турбулентность как разница между горизонтальными составляющими скорости ветра, также между вертикальными составляющими по следующему выражению:

По этому коэффициенту определяется наличие или отсутствие спутникового следа, а значит и наличие или отсутствие БПЛА, а по измеренным ветровым данным вычисляют координаты БПЛА и его скорость с учетом интегрирования и передачи этих данных на ЗРК. Следует заметить, что эта передача данных происходит в реальном масштабе времени и даже с учетом интегрирования задержка в определении координат составляет не более нескольких сотен миллисекунд, а с учетом малой скорости БПЛА это практически не влияет на время открытия огня ЗРК.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для обнаружения в заданном секторе малоразмерных, малоскоростных и низколетящих беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), оборудованных тянущими или толкающими винтами. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности обнаружения малоскоростных, малоразмерных и низколетящих воздушных целей, таких как беспилотные винтокрылые летательные аппараты с тянущими или толкающими винтами. Заявленная радиолокационная система охраны воздушного периметра состоит из N профайлеров с сокращенным временем интегрального накопления отраженных сигналов. Профайлеры расположены по секторам охраняемой территории таким образом, что их диаграммы направленности (ДН) перекрывают ее воздушное пространство, при этом профайлеры выполнены с возможностью сканирования своего сектора по углам азимута и места, определения параметров ветра и вычисления по ним наличия турбулентности. Каждый из N профайлеров включает блок управления радиолокатором параметров ветра, блок передатчика, аналого-цифровой приемник, блок обработки радиолокационной информации и автоматизированное рабочее место оператора, передатчик, фазированную антенную решетку, резонансный усилитель, блок управления двигателями антенны с блоком приводов антенны и генератор блока управления. 3 ил.

Радиолокационная система охраны воздушного периметра, состоящая из N профайлеров с сокращенным временем интегрального накопления отраженных сигналов, которые расположены по секторам охраняемой территории таким образом, что их диаграммы направленности (ДН) перекрывают все воздушное пространство охраняемой территории, при этом каждый из N профайлеров выполнен с возможностью сканирования своего сектора по углам азимута и места, определения параметров ветра и вычисления по ним наличия турбулентности, причем каждый из N профайлеров включает блок управления радиолокатором параметров ветра (РПВ), соединенный со входом блока передатчика, аналого-цифровым приемником (АЦП), блоком обработки радиолокационной информации и автоматизированным рабочим местом (АРМ) оператора, передатчик, вход-выход которого соединен с фазированной антенной решеткой (ФАР), а выход соединен через резонансный усилитель со входом аналого-цифрового приемника, который соединен с блоком обработки радиолокационной информации, АРМ оператора, соединенный с блоком обработки радиолокационной информации и блоком управления двигателями антенны, который соединен с блоком приводов антенны, генератор блока управления, соединенный с АЦП.