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 радиолокационное изображение 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.

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-допплеровской 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 снижения вероятности правильного обнаружения объекта.

Технический результат выражается в снижении вероятности правильного обнаружения объекта до величины в среднем не более D_по 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, состоящего из N-канальной приемной и передающей антенных решеток, блока ввода значений эффективной площади рассеяния объекта, при этом каждый из N каналов содержит 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 и запоминающее устройство, при этом выходы запоминающего устройства и блока ввода значений 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 n-й выход, где n=1, 2, …, N, приемной антенной решетки через полосовой фильтр соединен с первыми входами первого и второго фазового детектора соответствующего канала, выходы которых соединены через соответствующие аналого-цифровые преобразователи с первым и вторым входами вычислительного устройства соответствующего канала, первый, второй и третий выходы которого соединены с 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 и 3.

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.

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 снижение вероятности правильного обнаружения этого объекта до заданного значения.

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 4_n1 и 4_n2, вычислительное устройство 5_n, цифроаналоговые преобразователи 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 11, фазовращатель 12, блок ввода значений эффективной площади рассеяния объекта 13 и запоминающее устройство 14, 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.

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.

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

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

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.

Блок ввода значений ЭПР объекта 13 предназначен для формирования и выдачи на ВЧУ 5 цифрового значения ЭПР прикрываемого объекта.

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 работает следующим образом. Зондирующий сигнал РСА на известной частоте f₀ поступает на N элементов приемной антенной решетки 1.

Выходные сигналы элементов приемной антенной решетки 1 S_рлс(t) через полосовые фильтры 2, которые настроены на частоту f₀, подаются 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 3а и S_s(t) - выходной сигнал детектора 3b.

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

t i = t + i Δ t ,         ( 1 )

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_с(t) и S_s(t), τ_и - длительность импульсов РСА.

Оцифрованные сигналы S_с(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 элементов разрешения 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 ) ) )     ( 2 )

Для прикрытия l-го ЭР по азимуту частота сигналов S_с(t_i) и S_s(t_i) изменяется на величину ω = ( ℓ − N 1 2 ) 2 π T с , где l=1, …, N₁ - 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 с ( t i ) + j S s ( t i ) ) exp ( j ω ℓ ( t i ) ) ,       ( 3 )

С учетом (2) и (3) выражение для ретранслируемого сигнала примет

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 ) ) ) × × exp ( j ( ω ℓ ( t i − τ з r ( t i ) ) ) .               ( 4 )

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 с ( t i − τ з r ( t i ) ) + j S s ( t i − τ з r ( t i ) ) ) × × exp ( j ( ω ℓ ( t i − τ з r ( t i ) ) + φ ℓ , r ) ,             ( 5 )

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 … ∞ ,         ( 6 )

а величины φ_l,r имеют равномерный закон распределения

P φ = 1 2 π ,   φ ℓ , r ∈ − π … π .         ( 7 )

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

Сформированный в соответствии с выражением (5) сигнал обеспечит искажение РЛИз объекта только в случае его совмещения с ретранслятором в пространстве. В случае раздельного местоположения ретранслятора и прикрываемого объекта (фиг.2) необходим дополнительный сдвиг по частоте

ω l c = ( ℓ − N l 2 + ℓ с д в ) 2 π T с .         ( 8 )

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; Δ_А - расстояние от объекта до носителя РСА; D_В - расстояние от ретранслятора до носителя РСА; D_Р - расстояние от объекта до ретранслятора; θ_А - угол наблюдения РСА объекта; θ_В - угол наблюдения РСА ретранслятора; | V → Н | - модуль вектора скорости носителя РСА; β_ц - азимут цели; β_об - азимут объекта; γ - угол, образованный прямыми D_Р, и D_В.

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_В(t) и от РСА до объекта D_А(t) и рассчитывается следующим образом:

τ з r ( t i ) = ( int { D А ( t i ) − D В ( t i ) Δ r } + r ) τ с ж ,         ( 9 )

где Δr=cτ_сж/2 - разрешающая способность РСА по дальности; τ_сж=τ_u/B - длительность сжатого импульса РСА; В - база сигнала; с - 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_Р как:

D Р = x A 2 + y A 2 ,                 ( 10 )

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 cos 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 = ( int { D P cos γ Δ r } + r ) τ с ж .           ( 11 )

Для исключения процедуры вычисления угла γ число N_r выбирается как

N r = int { D P Δ r } + 1,               ( 12 )

а время задержки сигналов во всех каналах предлагаемого устройства

τ з r = r τ с ж .                   ( 13 )

Условия (12) и (13) обеспечивают одновременный приход хотя бы одного импульса ретранслятора и сигнала, отраженного от объекта, на вход приемного устройства РСА для случаев взаимного расположения ретранслятора, объекта и носителя РСА, при которых носитель РСА (угол β_ц) находится в секторе от 300 до 60 градусов, а β_об (фиг.2) составляет от 120 до 240 градусов.

Величина l_сдв также рассчитывается в ВЧУ

l с д в = x A − Δ ℓ N l 2 .             ( 14 )

Учитывая выражения (12) - (14), 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 с ( t i − τ з r ) + j S s ( t i − τ з r ) ) × × exp ( j ( ω l c ( t i − τ з r ) + φ l , r ) .             ( 15 )

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 и наклонной дальности от объекта до носителя РСА D_A

P С = P и G A σ о б ( 4 π D A 2 ) 2 .                   ( 16 )

Мощность ретранслированного сигнала на входе приемного устройства РСА Р_П будет зависеть от Р_и, G, А, а также от эффективной площади раскрыва антенной решетки 1 ретранслятора А_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 р G р K у ( 4 π D В 2 ) 2 .               ( 17 )

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 С P П = D В 4 σ о б D А 4 A р G р K у ≤ q т р 2 ,             ( 18 )

где q т р 2 = ln F л т ln D п о − 1

С учетом выражений (16)-(18) коэффициент усиления ретранслятора равен:

K у = D В 4 σ о б D А 4 A р G р q т р 2 .             ( 19 )

Полагая D_В/D_А≈1, q т р 2 = 1 , σ_об=100 м², λ=0,1 м, G_р=100, получим, что коэффициент усиления К_у≈12,56. А при D_B/D_А=2 - К_у≈200. 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 ) | и аргумента arg ( S р е т р * ( t i ) ) ретранслируемого сигнала

| S р е т р * ( t i ) | = Re 2 ( S р е т р * ( t i ) ) + Im 2 ( S р е т р * ( t i ) ) ,         ( 20 )

arg ( S р е т р * ( t i ) ) = a r c t g Re ( S р е т р * ( t i ) ) Im ( S р е т р * ( t i ) ) ,           ( 21 )

которые с первого и второго выходов ВЧУ 5 поступают на входы ЦАП 6₁ и 6₂ соответственно. Цифровые значения исходных данных (f₀, N₂, N_l, T_с, D_р, Δl, Δr, q_тр, A_р, G_р) определяются (рассчитываются) предварительно и вводятся по соответствующим адресам памяти в запоминающее устройство 14, откуда они считываются в процессе вычислений в ВЧУ 5.

С третьего выхода ВЧУ 5 цифровое значение коэффициента усиления K_у поступает на вход ЦАП 6₁, где преобразуется в управляющее напряжение.

С выхода ЦАП 6₂ аналоговый сигнал подается на первый вход смесителя 7, на второй вход которого поступает опорное колебание с ОГ 11, и переносится на несущую частоту.

С выхода смесителя 7 высокочастотный сигнал поступает на управляемый фазовращатель 8, где добавляется значение начальной фазы, вычисленное в соответствии с выражением (21). Управляющее напряжение на фазовращатель подается с выхода ЦАП 6₃.

Сигнал с управляемого фазовращателя 8 подается на первый вход управляющего усилителя 9, на второй вход подается управляющее напряжение с выхода ЦАП 6₁.

Далее сигналы с выходов управляемых усилителей 9 поступают на соответствующие входы передающей антенной решетки 10, которая излучает их в направлении РСА.

В результате обработки ретранслированного сигнала в РСА будет сформировано радиолокационное изображение объекта со случайными амплитудами по дальности и по азимуту (шумовое РЛИз). В этом случае шумовое РЛИз накладывается на РЛИз прикрываемого объекта, поэтому искажается не один ЭР, как в случае известного устройства искажения радиолокационного изображения, а большую область, размеры которой определяются значениями N₁ и N_r. Это обеспечивается за счет задержки импульсов на время τ_зr и ввода дополнительного сдвига по частоте ω_1c. При этом формируемое шумовое изображение полностью закрывает РЛИз прикрываемого точечного или пространственно-протяженного объекта на экране радиолокатора. В результате действия помехи происходит снижение вероятности правильного обнаружения объекта в среднем до уровня D_по.

Если учесть, что F_лт=10^-6 и q т р 2 = 1 , то D п о = exp ( ln F л т q т р 2 + 1 ) = 0,001 .

Предложенное устройство позволяет снизить необходимый энергопотенциал по сравнению со средствами активных шумовых маскирующих помех.

Рассчитаем выигрыш по мощности, который позволяет достичь заявляемое устройство по сравнению со средствами активных шумовых маскирующих помех.

Мощность отдельного переизлученного импульса на выходе устройства в q т р 2 раз превышает мощность сигнала РСА, отраженного от объекта, тогда мощность суммарного сигнала на выходе ретранслятора равна:

P р е т р = N l N r P 0 q т р 2 ,             ( 22 )

где Р₀ - мощность сигнала РСА, отраженного от прикрываемого объекта.

Для достижения того же отношения сигнал/шум мощность активной шумовой маскирующей помехи должна быть равна:

P ш = P 0 B N к q т р 2 ,               ( 23 )

где N_к - количество когерентно накапливаемых импульсов.

Тогда P ш P р е т р = B N к N l N r .             ( 24 )

Полагая N_l=20 м, N_r=200 м, B=1000 и N_к=2000, получим выигрыш по мощности в 500 раз.

Управляемые фазовращатели могут быть реализованы на основе фазовых манипуляторов СВЧ отражательного типа [Петров Б.Е., Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов. - М.: Высшая школа, 1989, с.211]. Вычислительные устройства могут быть реализованы на основе БИС программируемой логики [Бродин В.Б., Калинин А.В. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики. - М.: Издательство ЭКОМ, 2002, с.222-230], опорный генератор и управляемые усилители могут быть реализованы на лампах бегущей волны (ЛБВ) [Дулин В.Н. Электронные и квантовые приборы СВЧ. Учебное пособие для студентов высших технических учебных заведений. Издание 2-е переработанное. - М.: Энергия, 1972, с.59].

Предложенное техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестны устройства, позволяющие формировать помехи для РСА, искажающие формируемые ими РЛИз объектов и уменьшающие вероятность их правильного обнаружения, при условии отсутствия информации о параметрах движения носителя РСА и разд