РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПЕЛЕНГАЦИИ НАДВОДНЫХ ДРОНОВ Российский патент 2024 года по МПК G01S13/58 G01S13/88 H01Q21/00 H04B7/04 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для обнаружения и пеленгации надводных и полупогруженных дронов с низкой ЭПР (эффективной площадью рассеивания) порядка менее ≤ 0,5 м². Эти дроны используются для атаки особо важных объектов: причалы, пирсы, доки, эллинги, корабли на рейде, мосты и пр. (атаки на базу ВМС в Севастополе и в Новороссийске, на Керченский мост). Общей проблемой является своевременное обнаружение надводных дронов и пеленгация для передачи данных их координат (угол азимута, дальность и скорость хода) на береговые батареи поражения.

Данное изобретение предназначено в основном для значимых объектов водных акваторий, как военных, так и гражданских, в составе радиолокационного комплекса обнаружения воздушных целей (ракеты, самолеты, БПЛА) и водных целей (корабли, катера и надводные дроны).

Сейчас увеличивается интерес во многих странах мира к надводным дронам, особенно в Китае. К сожалению, Россия вообще не занималась этим вопросом, а ВСУ обладает большим количеством дронов. В этом случае должен возрастать интерес и к средствам их обнаружения и уничтожения.

Вооруженные силы Украины (ВСУ) стали чаще использовать надводные дроны в СВО на Черном и Азовском морях в 2023 г.:

- Нападение в июле на Керченский мост (разрушен один пролет)

- Нападение в июле на большой десантный корабль в Новороссийске (попадание)

- Нападение на танкер 08.08.23 около Керченского пролива (попадание)

- Попытка напасть на рейд Севастополя 05.08.23 (сбиты), и еще несколько неудачных попыток.

Надводные дроны представляют собой каботажные малоразмерные скоростные суда (катера) небольшого тоннажа со скоростью хода 30-40 узлов и с GPS навигацией и управлением от оператора или по программе. Применяются и полупогруженные дроны для уменьшения заметности (визуальной и радиолокационной).

Наиболее близким техническим решением являются РЛС, описанные в книге см. 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;

- Недостаточная помехоустойчивость.

Технической задачей изобретения является повышение вероятности обнаружения надводных дронов с низкой эффективной площадью отражения, а также повышение точности определения координат надводных дронов: угол азимута, дальность и скорость.

Технический результат достигается за счет построения радиолокационной системы обнаружения и пеленгации на основе MIMO сигналов и вычисления координат дронов на аппаратно-программном принципе и математической корреляционной обработке отраженных от цели зондирующих сигналов.

Для решения поставленной задачи предлагается радиолокационная система пеленгации малоразмерных судов-дронов, основанная на применении многолучевых РЛС, характеризующаяся тем, что в качестве многолучевой РЛС применена система MIMO это Multiple Input-Multiple Output, множественный вход-множественный выход, которая подразделяется на четыре основные части: задающий канал, приемный канал, антенная решетка, канал управления и обработки, которые содержат следующие узлы и блоки: микроконтроллер первой магистральной шиной связан с управляющими входами перестраиваемого полосового фильтра, цифрового синтезатора частоты и через генератор несущей частоты с вторым входом смесителя третьего, с первым входом которого связан выход синтезатора частоты, а смеситель частоты через сигнальный вход перестраиваемого третьего полосового фильтра и через делитель мощности связан вторыми входами первого и второго смесителей приемного тракта 5 с сигнальными входами третьего и четвертого СВЧ-ключа, выходы первого и второго СВЧ-ключей связаны с первыми входами первого и второго смесителей соответственно; МК магистральной шиной связан с управляющими входами всех четырех СВЧ-ключей; выход первого смесителя через первый полосовой фильтр, АРУ и первый АСП соединен с первым сигнальным входом МК, а выход второго смесителя через второй полосовой фильтр и вторую АРУ и второй АЦП соединен с вторым сигнальным входом МК; выход МК второй магистральной шиной соединен с управляющими входами первой и второй АРУ, а входами тактовой частоты, пуска и считывания данных соединен с обоими с АЦП; МГ двунаправленной шиной соединен с первым ПО, а однонаправленной шиной посредством USB - интерфейса соединен с ПК, выход которого двунаправленной шиной соединен с вторым ПО обработки сигналов. Для получения высокой разрешающей способности по дальности, которая определяется как Δх = R λ/d, где R-дальность до цели, λ-длина волны, d-диаметр антенны. Поэтому антенная система MIMO выполнена на двух разнесенных антенных приемо-передающих решетках, находящихся в одной плоскости на min расстоянии друг к другу порядка 10 см-20 см.

На фиг.1 приведена структурная электронная схема реализаций системы, на которой изображено:

1, 2, 3 и 4 - первый, второй, третий и четвертый СВЧ-ключи соответственно на четыре входа/выхода;

5 и 6 - первый и второй смесители соответственно;

7 - делитель мощности;

8 и 9 - первый и второй полосовой фильтр соответственно;

10 - перестраиваемый полосовой фильтр;

11 и 12 - первый и второй усилитель с регулировкой усиления (АРУ) соответственно;

13 - генератор несущей частоты;

14 - третий смеситель;

15 и 16 - первый и второй АЦП соответственно;

17 - цифровой синтезатор частоты;

18 - микроконтроллер (МК);

19 - USB - интерфейс;

20 - персональный компьютер (ПК);

21 - программное обеспечение (ПО) формирования по заданным параметрам ЛЧМ-сигнала выбора несущей частоты, переключения третьего перестраиваемого полосового фильтра, управление СВЧ-ключами MIMO- системы (первое ПО);

22 - ПО обработки сигналов, пользовательский интерфейс -второе ПО;

23 - приемные антенны MIMO-системы;

24 - передающие антенны MIMO-системы;

25 - первая группа приемных ключей;

26 - вторая группа приемных ключей;

27 - первая группа задающих ключей;

28 - вторая группа задающих ключей;

29 - антенная решетка;

M1, М2 и М3 - магистральные шины управления.

Схема имеет следующие соединения. Микроконтроллер 18 магистральной шиной Ml связан с управляющими входами перестраиваемого полосового фильтра 19, цифрового синтезатора частоты 17 и через генератор несущей частоты 13 с вторым входом смесителя третьего 14, с первым входом которого связан выход синтезатора частоты 17, а смеситель частоты 14 через сигнальный вход перестраиваемого третьего полосового фильтра 10 и через делитель мощности 6 связан вторыми входами первого и второго смесителей приемного тракта 5 и 6 и с сигнальными входами третьего и четвертого СВЧ-ключа 3 и 4, выходы первого и второго СВЧ-ключей 1 и 2 связаны с первыми входами первого и второго смесителей 5 и 6 соответственно; МК 18 магистральной шиной связан с управляющими входами всех четырех СВЧ- ключей 1, 2, 3 и 4; выход первого смесителя 5 через первый полосовой фильтр 8, АРУ 11 и первый АСП 15 соединен с первым сигнальным входом МК 18, а выход второго смесителя 6 через второй полосовой фильтр 9 и вторую АРУ 12 и второй АЦП 16 соединен с вторым сигнальным входом МК 18; выход МК 18 магистральной шиной v2 соединен с управляющими входами первой и второй АРУ 11 и АРУ 12, а входами тактовой частоты, пуска и считывания данных соединен с обоими с АЦП 15 и 16; МГ 18 двунаправленной шиной соединен с первым ПО 20, а однонаправленной шиной посредством USB -интерфейса 19 соединен с ПК 20, выход которого двунаправленной шиной соединен с вторым ПО обработки сигналов 22.

На фиг.2 приведена общая структурная схема антенной решетки рамки, состоящая из четырех антенных групп, две группы -это две передающие линейки и еще две группы - приемные линейки. В каждой линейке находится четыре антенных группы по пять антенн в каждой.

На фиг.3 показано выполнение элемента передающей и приемной антенны, на которой изображено:

30 - точка возбуждения антенны;

31 и 32 - витки спиральной антенны.

В качестве элемента антенной системы используется антенна в виде спирального элемента (предпочтительнее). Эта антенна является широкополосной, имеет независимый от частоты фазовый центр, обладает небольшими габаритами, максимальной развязкой между передающей и приемной антеннами, наименьшей глубиной и наименьшей чувствительностью параметров к расстоянию между плоскостью антенны и целью. Также в качестве элемента антенной системы могут применяться и другие конструктивы, например, одновитковые катушки.

На фиг.2 показано в общем количестве двадцати приемных элементов и двадцать передающих, это количество может быть различным, все зависит от нужной разрешающей способности. В основу работы способа положен принцип широкополосного радиолокатора с синтезированной апертурой; зондирующий сигнал с линейно-частотной модуляцией; корреляционно-фильтровая обработка отраженного сигнала; внутренняя когерентность системы; голографический синтез 3D-изображений. Это позволяет получить высокую разрешающую способность по дальности и высокое угловое разрешение за счет синтеза апертуры при использовании малогабаритных антенн в составе MIMO-линеек или матриц (MIMO - это Multiple Input - Multiple Output, множественный вход - множественный выход).

В структурной схеме реализован принцип корреляционно-фильтровой обработки отраженного сигнала с обобщенным гетеродинированием. В данной структуре источник формирования непрерывного ЛЧМ-сигнала, под управлением микроконтроллера 18, является прямой цифровой синтез на синтезаторе частоты 17, генераторе несущей частоты и смесителе 14, на выходе которого и формируется непрерывный ЛЧМ- сигнал с заданными параметрами.

Сигнал с ЛЧМ относится к классу «сложных» сигналов, для которых база сигнала В = Δf*T, где Δf - ширина спектра, Т -длительность.

Такие сигналы характеризуются возможностью сжатия во времени (по дальности) при приеме в базу. Например, сигнал ЛЧМ с девиацией Δf = 1 ГТц и Т = 10 мс эквивалентен по разрешению простому радиоимпульсу.

Цифровой синтезатор частоты 17 формирует на своем выходе синусоидальное гармоническое колебание с линейно изменяющейся со временем частотой в пределах от 10 МГц до 1400 МГц. Точный частотны диапазон и период формирования ЛЧМ-сигнала задается в программе под управлением микроконтроллера 18.

Генератор несущей частоты 13 на своем выходе формирует синусоидальное гармоническое колебание СВЧ диапазона в пределах от 1ГБц до 14ГБц. Конкретный выбор несущей частоты задается в программе 21 под управлением микроконтроллера 18.

Перестраиваемый полосовой фильтр 10 отфильтровывает нужный частотный диапазон и перестраивается вместе с несущей частотой под управлением микроконтроллера 18.

Одной из особенностей данной структурной схемы является наличие двух идентичных параллельно работающих приемных каналов. В каждом из каналов на выходе смесителя 5 и 6 определяющий рабочий диапазон системы по дальности (минимальное и максимальное расстояние), затем перед АЦП 15 и 16 стоят АРУ 11 и 12 (автоматическая регулировка усиления), задача которой автоматически подстраивать амплитуды входных сигналов под рабочий диапазон АЦП. Существенной особенностью способа является сканирование пространства с помощью антенной системы 29, состоящей из восьми передающих антенн 27 и 28 и восьми приемных антенн 25 и 26, которые при помощи СВЧ ключей 1-4 под выходу под ключ передатчика (передающие антенны) и каждому входу приемника (приемные антенны).

Передающие и приемные антенные MIMO-системы можно рассматривать как антенную решетку с многолучевой диаграммой направленности.

В системе применяются технология радиолокационного сканирования непрерывным широкополосным зондирующим сигналом, технология многоканальной голографической обработки сигналов обратного рассеяния и технология построения трехмерных изображений объектов в реальном времени.

Отличительной особенностью предлагаемых решений является использование более низких зондирующих частот при сохранении требуемого разрешения.

Ориентировочные характеристики:

- Метод сканирования - радиоголографическая система со сложным сигналом. Время сканирования - 0.1 сек.

- Вид исполнения - плоская конструкция антенн от решетки.

- Диапазон рабочих частот - 204 ГГц, возможно до 1-Ггц, в любом «удобном» диапазоне, (длина волны 8,0-20,0 мм) Разрешение по дальности - < 5 м. Дальность действия (обнаружения) - до 5 км, размеры антенной решетки (1х1)м

- Рабочая станция - компьютер с монитором и принтером.

- Питание радиолокационной части системы досмотра - не более 5 Вт.

- Масса радиолокационной части - не более 20 кг.

Таким образом, предлагаемая система позволяет контролировать водное пространство охраняемого периметра с высокой вероятностью достоверности обнаружения водных дронов на основе многолучевой радиолокации с оптимальным программно-аппаратным решением.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для обнаружения и пеленгации надводных и полупогруженных дронов с низкой эффективной площадью рассеивания менее 0,5 м². Технический результат заключается повышении вероятности обнаружения надводных дронов с низкой эффективной площадью отражения, а также повышение точности определения координат надводных дронов: угла азимута, дальности и скорости. Заявленная радиолокационная система пеленгации, основанная на MIMO сигналах и вычислении координат дронов аппаратно-программными средствами, состоит из задающего канала, приемного канала, антенной решетки и канала управления и обработки, которые содержат: микроконтроллер, первый и второй полосовые фильтры, перестраиваемый полосовой фильтр, цифровой синтезатор частоты и генератор несущей частоты, три смесителя, делитель мощности, четыре СВЧ-ключа, первый и второй усилители с регулировкой усиления, первый и второй АЦП. При этом антенная система MIMO выполнена на двух разнесенных антенных приемо-передающих решетках, находящихся в одной плоскости на расстоянии друг к другу порядка 10-20 см. 3 ил.

Радиолокационная система (РЛС) пеленгации малоразмерных судов-дронов, основанная на применении многолучевых РЛС, характеризующаяся тем, что в качестве многолучевой РЛС применена система MIMO – Multiple Input-Multiple Output, множественный вход-множественный выход, которая подразделяется на четыре основные части: задающий канал, приемный канал, антенная решетка, канал управления и обработки, которые содержат следующие узлы и блоки: микроконтроллер (МК) первой магистральной шиной связан с управляющими входами перестраиваемого полосового фильтра, цифрового синтезатора частоты и через генератор несущей частоты с вторым входом третьего смесителя, с первым входом которого связан выход синтезатора частоты, а третий смеситель частоты через сигнальный вход перестраиваемого полосового фильтра и через делитель мощности связан вторыми входами первого и второго смесителей приемного тракта с сигнальными входами третьего и четвертого СВЧ-ключа, выходы первого и второго СВЧ-ключей связаны с первыми входами первого и второго смесителей соответственно, МК магистральной шиной связан с управляющими входами всех четырех СВЧ-ключей, выход первого смесителя через первый полосовой фильтр, первый усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ) и первый АЦП соединен с первым сигнальным входом МК, а выход второго смесителя через второй полосовой фильтр и второй АРУ и второй АЦП соединен со вторым сигнальным входом МК; выход МК второй магистральной шиной соединен с управляющими входами первого и второго АРУ, а входами тактовой частоты, пуска и считывания данных соединен с обоими с АЦП, МК двунаправленной шиной соединен с первым программным обеспечением (ПО), а однонаправленной шиной посредством USB-интерфейса соединен с ПК, выход которого двунаправленной шиной соединен с вторым ПО обработки сигналов, при этом для получения высокой разрешающей способности по дальности, которая определяется как Δх = R λ/d, где R-дальность до цели, λ-длина волны, d-диаметр антенны, антенная система MIMO выполнена на двух разнесенных антенных приемо-передающих решетках, находящихся в одной плоскости на min расстоянии друг к другу порядка 10 см-20 см.