Устройство искажения радиолокационного изображения объекта

Устройство искажения радиолокационного изображения объекта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области радиоподавления радиолокационных станций (РЛС), в частности, может быть использовано при разработке станций помех для радиоподавления РЛС с синтезированной апертурой антенны (РСА) [Кондратенков Г.С., Потехин В.А., Реутов А.П., Феоктистов Ю.А.; под ред. Кондратенкова Г.С. Радиолокационные станции обзора земли. - М.: Радио и связь, 1983, с.65-97; Антипов В.Н., Горяинов В.Т., Кулин А.Н. и др.; под ред. Горяинова В.Т. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. - М.: Радио и связь, 1988, с.3-22; Лихачев В.П., Шляхин В.М. Активное "гашение" радиолокационных изображений целей, формируемых РСА, посредством модулированных помех. - Изв. вузов "Радиоэлектроника", №3, 2002, с.35-41], формирующих радиолокационные изображения (РЛИз) наземных объектов.

Известны устройства, искажающие РЛИз объекта, - уголковый отражатель [Вакин С.А., Шустов Л.Н. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. - М.: Сов. Радио, 1968, с.321-326; Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. - М.: Воениздат, 1989, с.90-99] и линза Люнеберга. Уголковый отражатель и линза Люнеберга переотражают сигнал на рабочей частоте РЛС и обеспечивают искажение РЛИз объекта (за счет увеличения его интенсивности). Причем искажение РЛИз происходит только в случае совмещения в пространстве уголкового отражателя и линзы Люнеберга с объектом.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом к предлагаемому изобретению) является устройство искажения радиолокационного изображения [Купряшкин И.Ф., Кушнарев А.С., Лихачев В.П. Устройство искажения радиолокационного изображения объекта. - Патент RU №2347238 С1, от 25.06.2007]. Оно осуществляет прием зондирующего сигнала, задержку по времени, усиление, изменение начальной фазы по определенному закону и его излучение в направлении РСА, обеспечивая искажение РЛИз объекта (отклика РСА на сигналы, отраженные от объекта) ретранслированным сигналом (PC) (откликом РСА на переизлученный предлагаемым устройством сигнал), которое приводит к снижению вероятности правильного обнаружения объекта. Устройство искажения РЛИз состоит из N-канальной приемной и передающей антенных решеток, каждый из N каналов содержит последовательно соединенные управляемый фазовращатель, управляемую линию задержки и управляемый усилитель, кроме того, данное устройство содержит имеющие N выходов блок управления управляемыми фазовращателями, блок управления управляемыми усилителями, блок управления управляемыми линиями задержки и блок ввода значений эффективной площади рассеивания (ЭПР).

Недостатком устройства-прототипа является то, что для его функционирования требуется точная информация о параметрах движения носителя РСА, т.е. необходимо наличие устройства внешнего целеуказания - радиоэлектронного средства с активным излучением, например дорогостоящей импульсно-доплеровской РЛС, против которой могут быть организованы активные шумовые маскирующие, уводящие по дальности и по скорости помехи. Следовательно, в целом устройство-прототип имеет низкую помехозащищенность.

Задача, решение которой обеспечивает заявляемое устройство, состоит в формировании ретранслированных сигналов, обеспечивающих искажение формируемых РСА радиолокационных изображений объектов при отсутствии информации о параметрах движения носителя РСА, с целью обеспечения постоянной наименьшей вероятности правильного обнаружения объекта при любых условиях формирования РЛИз в РСА, т.е. при любых направлениях наблюдения объекта РСА.

Технический результат выражается в обеспечении постоянной наименьшей вероятности правильного обнаружения объекта D_по при любых условиях формирования РЛИз в РСА, т.е. при любых направлениях наблюдения объекта РСА, за счет искажения РЛИз объекта (отклика РСА на сигналы, отраженные от такого объекта) ретранслированным откликом (откликом РСА на сигнал, ретранслированный предлагаемым устройством), при гораздо меньших энергетических требованиях по сравнению со средствами активных шумовых маскирующих помех или при одинаковых энергетических требованиях по сравнению с требующим высокоточных внешних целеуказаний устройством-прототипом, достигающих того же эффекта.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве искажения радиолокационного изображения объекта, состоящем из N-канальной приемной и передающей антенных решеток, при этом каждый из N каналов содержит элемент приемной антенной решетки, последовательно соединенные управляемый фазовращатель, управляемый усилитель и элемент передающей антенной решетки, в каждый из N каналов введены полосовой фильтр, первый и второй фазовые детекторы, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, вычислительное устройство, первый, второй и третий цифроаналоговые преобразователи, смеситель, а также опорный генератор, фазовращатель, первое и второе запоминающие устройства, устройство определения направления на источник радиоизлучения, устройство вычисления текущего значения эффективной площади рассеяния объекта и устройство ввода информации о пространственном положении объекта, при этом выходы первого запоминающего устройства и устройства вычисления текущего значения эффективной площади рассеяния объекта соединены соответственно с третьим и четвертым входами вычислительных устройств каждого канала, выход опорного генератора соединен со вторым входом первого фазового детектора, со вторым входом смесителя и через фазовращатель со вторыми входами вторых фазовых детекторов каждого канала, при этом каждый n-й выход, где n=1, 2, …, N, приемной антенной решетки соединен с соответствующим входом устройства определения направления на источник радиоизлучения и через полосовой фильтр с первыми входами первого и второго фазовых детекторов соответствующего канала, выход устройства определения направления на источник радиоизлучения соединен с первым входом устройства вычисления текущего значения эффективной площади рассеяния объекта, выходы второго запоминающего устройства и устройства ввода информации о пространственном положении объекта соединены со вторым и третьим входами устройства вычисления текущего значения эффективной площади рассеяния объекта, выходы первого и второго фазовых детекторов соединены через соответствующие аналого-цифровые преобразователи с соответствующими входами вычислительного устройства соответствующего канала, первый, второй и третий выходы которого соединены со входами соответствующих цифроаналоговых преобразователей, выход второго цифроаналогового преобразователя соединен с первым входом смесителя, выход которого через управляемый фазовращатель соединен с первым входом управляемого усилителя, второй вход управляемого фазовращателя соединен с выходом третьего цифроаналогового преобразователя, второй вход управляемого усилителя соединен с выходом первого цифроаналогового преобразователя данного канала.

Сущность изобретения поясняется фигурами 1, 2, 3 и 4.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства.

На фиг.2 показано формирование прикрываемой зоны.

На фиг.3 показано взаимное расположение ретранслятора, объекта и носителя РСА.

На фиг.4 изображена структурная схема устройства определения направления на источник радиоизлучения.

Сущность изобретения заключается в формировании в ответ на каждый принятый импульс и переизлучении в направлении РСА помехи, представляющей собой сумму зондирующих радиоимпульсов РСА со специальным образом измененной начальной фазой, амплитудой, частотой и временной задержкой, обеспечивающей искажение РЛИз объекта, формируемого РСА и обусловливающей постоянную наименьшую вероятность правильного обнаружения объекта при любых условиях (направлениях наблюдения объекта) формирования РЛИз в РСА.

Предлагаемое устройство искажения радиолокационного изображения объекта состоит из N каналов, n-й канал, где n=1, 2, …, N, содержит последовательно соединенные элемент приемной антенной решетки 1_n, полосовой фильтр 2_n, фазовые детекторы 3_n1 и 3_n2, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 4_n1 и 4_n2, вычислительное устройство (ВЧУ) 5_n, цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 6_n1, 6_n2 и 6_n3, смеситель 7_n, управляемый фазовращатель 8_n, управляемый усилитель 9_n, элемент передающей антенной решетки 10_n, а также опорный генератор (ОГ) 11, фазовращатель 12, устройство определения направления на источник радиоизлучения (УОН ИРИ) 13, первое запоминающее устройство 14, устройство вычисления текущего значения ЭПР объекта 15, устройство ввода информации о пространственном положении объекта 16 и второе запоминающее устройство 17, соединенных, как показано на фиг.1.

Приемная антенная решетка 1 предназначена для приема сигналов, излучаемых РСА, и преобразования их в электрические сигналы, подаваемые в полосовые фильтры 2 и УОН ИРИ 13.

Полосовой фильтр 2 предназначен для обеспечения частотной избирательности устройства.

Фазовые детекторы 3₁ и 3₂ предназначены для формирования квадратурных составляющих сигналов РСА.

АЦП 4₁ и 4₂ предназначены для преобразования аналоговых сигналов, поступающих с выходов фазовых детекторов 3₁ и 3₂, в цифровую форму.

ВЧУ 5 предназначено для выполнения необходимых арифметических операций вычисления значений амплитуды и фазы ретранслируемых сигналов в цифровом виде, коэффициента их усиления, задержки по времени и смещений по частоте [Вальпа О.Д. Разработка устройств на основе цифровых сигнальных процессоров фирмы Analog Devices с использованием Visual DSP++. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007, с.10, 18, 150, 151, 163, 176, 177, 266].

ЦАП 6₁ предназначен для преобразования цифровых значений коэффициента усиления в управляющее напряжение, подаваемое на второй вход управляемого усилителя 9.

ЦАП 6₂ и 6₃ предназначены для преобразования значений амплитуды и фазы сигнала из цифровой в аналоговую форму.

Смеситель 7 предназначен для переноса спектра сигнала в высокочастотную область.

Управляемый фазовращатель 8 предназначен для задания необходимого фазового сдвига сигнала.

Управляемый усилитель 9 предназначен для усиления выходных сигналов смесителя 7 по определенному закону.

Передающая антенная решетка 10 предназначена для излучения сформированных предлагаемым устройством сигналов в направлении РСА.

Опорный генератор 11 предназначен для выработки опорного колебания, подаваемого на фазовые детекторы и смесители.

Фазовращатель 12 предназначен для поворота фазы опорного колебания на 90 градусов.

УОН ИРИ 13 предназначено для формирования цифрового значения напряжения, пропорционального пеленгу на РСА.

Первое запоминающее устройство 14 предназначено для хранения и выдачи на ВЧУ 5 предварительно определенных или рассчитанных исходных данных для вычислений в ВЧУ 5 и массивов значений случайных величин ξ и φ.

Устройство вычисления текущего значения ЭПР объекта 15 предназначено для совместного анализа информации о пространственном положении носителя РСА и объекта и ориентации его строительной оси относительно линии «носитель РСА - объект», выбора на основании данного анализа текущего значения ЭПР объекта при данных условиях его наблюдения РСА β_ц и ввода цифрового значения данной ЭПР σ_об (β_ц) [Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации. Учебное пособие для вузов. - М.: Советское радио, 1970, с.56] в ВЧУ 5.

Устройство ввода информации о пространственном положении объекта 16 предназначено для ввода координат объекта (X₀; Y₀), а также направления его центральной оси относительно направления на север (β) - угла β₀ (фиг.2).

На фиг.2 представлен чертеж, поясняющий взаимное расположение носителя РСА, ретранслятора и объекта, где обозначено: Д0Д_П - система координат носителя РСА "дальность - поперечная дальность"; XBY - система координат ретранслятора; β - направление на север; D_A - расстояние от объекта до носителя РСА; D_B - расстояние от ретранслятора до носителя РСА; D_P - расстояние от объекта до ретранслятора; θ_A - угол наблюдения РСА объекта; θ_B - угол наблюдения РСА ретранслятора; | V → H | - модуль вектора скорости носителя РСА; β_ц - азимут цели; β_об - азимут объекта; β₀ - угол поворота центральной оси объекта Z относительно направления на север (β); γ - угол, образованный прямыми D_P и D_B.

Второе запоминающее устройство 17 предназначено для хранения и выдачи на устройство вычисления значения ЭПР объекта 15 значений ЭПР различных прикрываемых объектов.

Устройство работает следующим образом. Зондирующий сигнал РСА на известной частоте f₀ поступает на N элементов антенны 1.

Выходные сигналы элементов приемной антенной решетки 1 S_рлс(t) подаются в УОН ИРИ 13 и через полосовые фильтры 2, которые настроены на частоту f₀, на первые входы фазовых детекторов 3₁ и 3₂. На вторые входы фазовых детекторов 3₁ и 3₂ подаются опорные колебания, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 90 градусов (опорные колебания поступают с ОГ 11 и фазовращателя 12). Применение двух фазовых детекторов в каждом канале и опорных колебаний, сдвинутых на 90 градусов, необходимо для формирования квадратурных составляющих сигнала S_рлс(t):S_c(t) - выходной сигнал детектора 3₁ и S_s(t) - выходной сигнал детектора 3₂.

УОН ИРИ 13 осуществляет формирование напряжений U_УОН, пропорциональных разности фаз сигналов РСА, принятых соседними элементами антенной решетки 1, их оцифровку и суммирование. УОН ИРИ может быть реализовано по схеме, изображенной на фиг.4, и состоять из N-1 канала, каждый из которых состоит из фазовращателя 18, предназначенного для поворота на 90 градусов фазы сигнала, поступающего от приемной антенной решетки 1, фазового детектора 19, формирующего напряжение, U_ФДn, пропорциональное разности фаз входных сигналов и АЦП 20, выход АЦП каждого канала соединен с соответствующим входом сумматора 21.

На первый вход устройства вычисления текущего значения ЭПР объекта 15 с выхода УОН ИРИ 13 поступает цифровое значение напряжения U У О Н = ∑ n = 1 N − 1 U Ф Д n , где вычисляется значение угла по формуле

β ц = a r c s i n ( c f 0 2 π d a r c s i n ( 1 К Ф Д ( N − 1 ) U У О Н ) ) , ( 1 )

где К_ФД - постоянная фазового детектора; d - расстояние между элементами антенной решетки; U_ФДn - напряжение на выходе n-го фазового детектора.

Данные о пространственном положении объекта (координаты объекта (X₀; Y₀) и направление его центральной оси (угол β₀) относительно направления на север (β)) поступают на третий вход устройства вычисления текущего значения ЭПР объекта 15 с устройства ввода информации о пространственном положении объекта 16.

На второй вход устройства вычисления текущего значения ЭПР объекта 15 поступает текущее значение ЭПР объекта из второго запоминающего устройства 17, выбор которого осуществляется в результате анализа пространственного положения объекта конкретного типа, направления его наблюдения РСА, причем если D_B≈D_A>>D_P, то β₀≈β_ц. Цифровое значение ЭПР σ_об(β_ц), выбранное таким образом из второго запоминающего устройства 17, поступает на вход ВЧУ 5.

С выходов фазовых детекторов сигналы S_c(t) и S_s(t) поступают на входы АЦП 4₁ и 4₂, которые преобразуют их в цифровую форму S_c(t_i) и S_s(t_i) соответственно, где t_i - отсчеты времени дискретизации

t i = t + i Δ t , ( 2 )

где i=1…K, Δt=1/f_д, K=f_дτ_и, f_д=2F_max - частота дискретизации, F_max - максимальная частота спектра сигналов S_c(t) и S_s(t), τ_и - длительность импульсов РСА.

Оцифрованные сигналы S_c(t_i) и S_s(t_i) поступают на входы ВЧУ 5, в котором осуществляется их преобразование и вычисление коэффициента усиления следующим образом.

Ретранслируемый данным устройством сигнал обеспечивает прикрытие не только самого объекта, но и некоторой области вокруг него. Размеры данной области выражаются в количестве элементов разрешения (ЭР) по азимуту N₁ и дальности N_r. Это поясняется фиг.2, где обозначено: Δr - разрешающая способность РСА по дальности, Δl - по азимуту.

Для осуществления прикрытия r-го ЭР по дальности сигналы S_c(t_i) и S_s(t_i) задерживаются на время τ_зr(t_i), где r=1, …, N_r - номер прикрываемого ЭР по дальности.

Для осуществления прикрытия всех ЭР по дальности формируется суммарный сигнал вида:

S р е т р * ( t i ) = ∑ r = 1 N r ( S c ( t i − τ з r ( t i ) ) + j S s ( t i − τ з r ( t i ) ) )         ( 3 )

Для прикрытия l-го ЭР по азимуту, частота сигналов S_c(t_i) и S_s(t_i) изменяется на величину ω l = ( l − N l 2 ) 2 π T c , где l=1, …, N_l - номер ЭР по азимуту, Т_с - длительность временного интервала синтезирования апертуры.

Для прикрытия всех ЭР по азимуту формируется суммарный сигнал вида

S р е т р * ( t i ) = ∑ l = 1 N l ( S c ( t i ) + j S s ( t i ) ) exp ( j ω l ( t i ) )                   ( 4 )

С учетом (2) и (3) выражение для ретранслируемого сигнала примет вид S р е т р * ( t i ) = ∑ l = 1 N l ∑ r = 1 N r ( S c ( t i − τ з r ( t i ) ) + j S s ( t i − τ з r ( t i ) ) ) × × e x p ( j ( ω l ( t i - τ з r ( t i ) ) ) . ( 5 )

Достижение требуемых маскирующих свойств PC обеспечивается изменением амплитуды и начальной фазы каждого импульса по случайному закону, т.е.

S р е т р * ( t i ) = ∑ l = 1 N l ∑ r = 1 N r ξ l , r ( S c ( t i − τ з r ( t i ) ) + j S s ( t i − τ з r ( t i ) ) ) × × e x p ( j ( ω l ( t i − τ з r ( t i ) ) ) + φ l , r ) , ( 6 )

где ξ_l,r и φ_l,r - случайные величины.

Случайные величины ξ_l,r распределены по закону Релея

P ξ = ξ l , r exp ( − ξ l , r 2 2 ) ,   ξ l , r ∈ 0 … ∞ , ( 7 )

а величины φ_l,r имеют равномерный закон распределения

P φ = 1 2 π ,   φ l , r ∈ − π … π . ( 8 )

Массивы значений ξ_l,r и φ_l,r предварительно рассчитываются с помощью датчика случайных чисел и записываются в первое запоминающее устройство 14.

Сформированный в соответствии с выражением (6) сигнал обеспечит искажение РЛИз объекта только в случае его совмещения с ретранслятором в пространстве. В случае раздельного местоположения ретранслятора и объекта (фиг.2), необходим дополнительный сдвиг по частоте

ω l с = ( l − N l 2 + l с д в ) 2 π T c . ( 9 )

Время общей задержки по времени сигналов во всех каналах предлагаемого устройства должно обеспечивать одновременный приход хотя бы одного импульса ретранслятора и сигнала, отраженного от объекта, на вход приемного устройства РСА, и формируется на основе информации о разности текущих наклонных дальностей от РСА до ретранслятора D_B(t) и от РСА до объекта D_A(t) и рассчитывается следующим образом:

τ з r ( t i ) = ( i n t { D A ( t i ) − D B ( t i ) Δ r } + r ) τ с ж , ( 1 0 )

где Δr=cτ_сж/2 - разрешающая способность РСА по дальности; τ_сж=τ_и/B - длительность сжатого импульса РСА; B - база сигнала; c - скорость распространения радиоволн; int{·} - символ вычисления целого значения от выражения {·}.

Владея информацией о местоположении объекта и приняв за начало системы координат местоположение ретранслятора (x_B=0, y_B=0), можно вычислить расстояние от ретранслятора до объекта D_P как:

D P = x A 2 + y A 2 , ( 1 1 )

где x_A, y_A - прямоугольные координаты объекта в системе координат с началом в точке x_B=0; y_B=0.

Используя теорему косинусов (фиг.2) D A ( t ) = D B ( t ) 2 + D P 2 − 2 D B ( t ) D P c o s γ и полагая, что D_B(t)>>D_P и D_A(t)≈D_B(t), время τ_зr(t_i) практически не зависит от t_i и рассчитывается как

τ з r = ( i n t { D P c o s γ Δ r } − N r 2 + r ) τ с ж . ( 1 2 )

Угол γ вычисляется как

γ = | β ц − β о б | , ( 1 3 )

при этом число можно уменьшить до значения

N r = L о б Δ r + l , ( 1 4 )

где L_об - максимальный геометрический размер объекта.

Условия (13) и (14) обеспечивают одновременный приход импульсов ретранслятора и сигнала, отраженного от объекта, на вход приемного устройства РСА для любых случаев взаимного расположения ретранслятора, объекта и носителя РСА.

Величина l_сдв также рассчитывается в ВЧУ

l с д в = x A − Δ l N l 2 . ( 15 )

Учитывая выражения (13)-(15), окончательное выражение для ретранслированного сигнала примет вид

S р е т р * ( t i ) = ∑ l = 1 N l ∑ r = 1 N r ξ l , r ( S c ( t i − τ з r ) + j S s ( t i − τ з r ) ) × × e x p ( j ( ω l с ( t i − τ з r ) + φ l , r ) . ( 1 6 )

Коэффициент усиления К_у рассчитывается следующим образом. Из уравнения радиолокации [Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации. Учебное пособие для вузов. - М.: Советское радио, 1970, с.236] известно, что мощность отраженного от объекта сигнала на входе приемного устройства РСА Р_с будет зависеть от импульсной мощности передатчика РСА Р_и, коэффициента усиления ее антенны G, эффективной площади раскрыва приемной антенны РСА А, ЭПР объекта σ_об(β_ц) и наклонной дальности от объекта до носителя РСА D_A

P C ( β ц ) = P и G A σ о б ( β ц ) ( 4 π D A 2 ) 2 . ( 1 7 )

Мощность ретранслированного сигнала на входе приемного устройства РСА P_П будет зависеть от P_и, G, А, а также от эффективной площади раскрыва антенной решетки 1 ретранслятора A_р, наклонной дальности от ретранслятора до носителя РСА D_B и коэффициента усиления антенной решетки 10 ретранслятора G_р:

P П = P и G A A p G p K y ( 4 π D B 2 ) 2 . ( 1 8 )

Для достижения требуемого снижения вероятности правильного обнаружения до величины D_по, необходимо обеспечить требуемое соотношение мощностей полезного и искажающего сигналов q т р 2 на входе приемного устройства РСА, т.е.

P C ( β ц ) P П = D B 4 σ о б ( β ц ) D A 4 A p G p K y ≤ q т р 2 , ( 1 9 )

где q т р 2 = l n F л т l n D п о − 1 .

С учетом выражений (17)-(19) в коэффициенте усиления ретранслятора учитывается текущее значение ЭПР объекта:

K у ( β ц ) = D B 4 σ о б ( β ц ) D A 4 A p G p q т р 2 . ( 2 0 )

Полагая D_B/D_A≈1, q т р 2 = 1 , σ_об(β_ц)=100 м², λ=0,1 м, G_р=100, получим, что коэффициент усиления К_у≈12,56, а при σ_об(β_ц)=200 м² - К_у≈25,12. Очевидно, что такие значения коэффициента усиления достаточно просто реализовать с помощью существующих схем усилителей [Петров Б.Е., Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов. - М.: Высшая школа, 1989, с.88-90].

Далее происходит вычисление цифровых значений модуля | S р е т р * ( t i ) |