19

Примеры построения приемных устройств РЛС

В качестве примера рассмотрим особенности построения приёмного устройства многофункционального наноимпульсного радиолокатора (НИРЛС) мониторинга и охраны территорий

Области применения:

1. Диспетчерские РЛС в аэропортах обеспечивающие высокоточное определение координат самолетов, их ориентацию относительно взлетно-посадочной полосы, а также контроль пространства в зоне посадки с определением типа летательного аппарата в любую погоду и в любое время суток.

2. РЛС проводки судов в шхерах и заливах со сложным (извилистым) судовым ходом, обеспечивающие не только высокоточную привязку к местности, но и определение ориентации судов относительно заградительных буев и береговой линии.

3. РЛС обзора и охраны поля аэродрома, акватории морского порта и специальных объектов

Многофункциональный наноимпульсный радиолокатор (НИРЛС) позволяет одновременно осуществлять непрерывный радиолокационный контроль большой территории с дальностью вплоть до десяти километров. НИРЛС может быть развёрнута и подготовлена к работе в течение нескольких минут на необорудованных позициях (в том числе на передвижных объектах): аэродромах, буровых платформах, стартовых позициях систем ПВО и ПРО и т.п. Также НИРЛС может обнаруживать малоразмерные воздушные цели, что особенно актуально, учитывая современное развитие БПЛА и ДПЛА. В режиме охраны за счёт покрытия всей территории наблюдения НИРЛС может не только обнаружить проникновение нарушителя на объект, но и оперативно распознать класс цели-нарушителя, её скорость, спрогнозировать направление движения и сопровождать её до момента разрешения ситуации.

Экспериментальный образец НИРЛС (рис. 1) работает в Х-диапазоне.

Рис. 1: Экспериментальный образец НИРЛС

НИРЛС (рис. 2) состоит из двух составных частей – антенного поста (АП) и автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора. Антенна АП размещена на опорно-поворотном устройстве (ОПУ), а рабочее место – за перегородкой в салоне автомобиля.

Рис. 2: Размещение аппаратуры в автомобиле и организация

рабочего места оператора НИРЛС

Основные характеристики НИРЛС приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Тип характеристик	Значение
Дальности обнаружения целей (при наличии прямой видимости), км: - человек - легковой автомобиль - грузовой автомобиль	до 3 7 10
Приборная дальность, км	15
Точность измерения координат и параметров движения целей: - по азимуту, град - по дальности, м - по скорости, км/ч	0,1-0,15 0,3 1,5 (по трассе 0,5)
Скорость обзора, град/с	360
Средняя мощность излучения, Вт	0,01-0,1
Ширина диаграммы направленности антенны: - по азимуту, град - по углу места, град	1 4
Уровень боковых лепестков, дБ: - в вертикальной плоскости - в горизонтальной плоскости	23 26
Коэффициент усиления антенны, дБ	36
Разрешающая способность: - по дальности, м - по азимуту, град	1,5 1

НИРЛС имеет следующие режимы функционирования:

• подавление пассивных помех;

• селекция движущихся целей (СДЦ);

• траекторная обработка (автосопровождение на проходе);

• скоростная селекция с отображением отметок от целей различными цветовыми и яркостными градациями;

• целеуказания для оптико-электронного модуля.

НИРЛС, как радиолокационная станция, имеет наибольшую дальность обнаружения объектов и максимальную всепогодность, и поэтому является первичным средством обнаружения объектов (целей). НИРЛС работает в комплексе как автономно, так и обеспечивает информацией для целеуказания другие датчики.

Основными преимуществами НИРЛС являются:

- высокая контрастность получаемого радиолокационного изображения (РЛИ), которая достигается за счёт высокой разрешающей способности РЛС по дальности (ΔR ~ 1м) и азимуту (Δθ_аз < 1°), и существенного (более, чем в 10 раз) снижения мощности мешающих отражений от подстилающей земной поверхности;

- возможность обнаружения малоразмерных объектов с величиной ЭПР < 0,5 м² (такой ЭПР обладает человек, ДПЛА) на фоне интенсивных отражений от местных предметов и подстилающей земной поверхности как в режиме «стоп», так и в режиме «на ходу»;

- возможность эффективной селекции и автоматического обнаружения медленно движущихся объектов (в том числе, людей) со скоростью порядка 0,5 - 5 метров в секунду, по изменению координат положения объекта в двух соседних кадрах РЛИ при произвольной ориентации траектории движения объекта на местности;

- отсутствие «слепых» скоростей, которые существуют в типовых РЛС, за счет применения метода межобзорной (межкадровой) обработки РЛИ, что позволяет также устойчиво обнаруживать объекты с радиальной составляющей скорости от 0,5 м/с. Кроме того, метод межобзорной обработки (только для случая стационарной РЛС) позволяет также обнаруживать неподвижные объекты (с нулевой радиальной скоростью), например, появившиеся на местности, что принципиально не позволяют осуществить типовые РЛС;

- экологическая безопасность, которая достигается за счёт уменьшения длительности излучаемого импульса, а следовательно и уменьшения средней излучаемой мощности (< 0,25 Вт). Уровень электромагнитного излучения НИРЛС не только соответствует действующим в РФ санитарным правилам и нормам, но и является крайне низким для такого класса приборов (РЛС излучает не больше, чем сотовый телефон). Данное преимущество позволяет также существенно повысить скрытность работы РЛС от средств радиотехнической разведки.

Вышеуказанные свойства технологии НИРЛС подтверждены экспериментально на созданном опытном образце РЛС. На рис. 3 приведены примеры синхронно записанных кадров оптического и радиолокационного изображений.

Рис.3

Рис.3

Технология НИРЛС позволяет создать эффективную систему мониторинга и охраны любой территории, с всепогодным автоматическим обнаружением несанкционированного вторжения (появления) разноскоростных и малоконтрастных объектов.

Применение РЛС по технологии НИРЛС также эффективно для контроля за водной поверхностью, поскольку уменьшает клаттер (хаотичные засветки от гребней волн и гидрометеоров) и позволяет обнаруживать пловцов и малоразмерные плавательные средства с величиной ЭПР 0,5-1,5 м2 на дальности в несколько километров при волнении до 1,5-2 баллов.

Технические решения, использованные в конструкции наноимпульсной РЛС, позволяют обеспечить необходимые технические характеристики локатора без использования дорогостоящих антенных укрытий и значительных энергетических ресурсов (потребляемая мощность РЛС в рабочем режиме не превосходит 1,5-2 кВт), а также размещать НИРЛС как на подвижных (мобильных) средствах, так и на стационарных позициях.

Характерной особенностью наноимпульсных РЛС является возможность обнаружения целей, как в стационарном режиме, так и на ходу (движение на скоростях 20 – 40 км/ч.).

Преимуществом НИРЛС является экономический показатель «Цена - Эффективность - Качество».

1. Технические характеристики аппаратуры антенного поста нирлс

Мощность излучаемых колебаний …………………….. 40 Вт.

Длительность зондирующих импульсов …………….. 10 нс.

Частота повторения импульсов ……………………….. 10кГц.

Ширина диаграммы направленности

в азимутальной плоскости ……………….

в угломестной плоскости ………………

КНД ………………………………………………………. 32 дБ.

Поляризация………………………………….. горизонтальная.

Скорость сканирования ………………………. 20 - 45 об/мин.

Коэффициент шума приемника ………………………….. 4дБ.

Полоса пропускания ………………………………… 200МГц.

Коэффициент усиления…………………………………. 65дБ.

Регулируемое изменение коэффициента усиления… 2165дБ.

Аппаратура антенного поста размещена на антенно-аппаратурной стойке «этажерочного» типа и скомпонована так, что бы обеспечить минимальную длину волноводных и коаксиальных соединений, а так же обеспечить свободный доступ к основным узлам. Аппаратура антенного поста реализована в соответствии со структурной схемой, представленной на рис. 4.

Принципиальные изменения касаются передающего и приемного устройств их состава и технических характеристик, позволяющих существенно увеличить диапазон рабочих дальностей локатора, расширить динамический диапазон линейно обрабатываемых сигналов, повысить радиометрическую чувствительность радиолокационной системы, а также сформировать квадратурный выходной сигнал приемного устройства.

Рис.4: Структурная схема аппаратуры ЭО НИРЛС.

Создание малошумящего приемного устройства с квадратурным выходным сигналом является принципиальным моментом, так как в этом случае возможно сохранить информацию о фазовой структуре принятого сигнала, обеспечить когерентное накопление или когерентную обработку информационных сигналов и реализовать доплеровскую селекцию подвижных объектов.

2. Возможные варианты построения приемного тракта нирлс

Построение приемного тракта НИРЛС зависит от назначения радиолокатора. В современной НИРЛС канал приемного тракта состоит из входного приемного устройства (ВПУ) и системы цифровой обработки. ВПУ предназначено для приема, усиления, фильтрации, детектирования и обработки информации в аналоговом виде. Кроме этого ВПУ обеспечивает контроль всего приемного устройства путем генерирования контрольного сигнала.

Цифровая часть приемного устройства (ЦПУ) обеспечивает работу различных алгоритмов НИРЛС и выполняет функции, связанные с получением конечной информации, интересующей потребителя.

2.1 Функциональная схема входного приемного устройства и оценка

реализуемых параметров

Для достижения минимального коэффициента шума и максимального рабочего динамического диапазона входное приемное устройство (ВПУ) наносекундной РЛС может быть супергетеродинного типа. Сквозная полоса пропускания (ΔF) определяется длительностью импульса и равна приблизительно величине 1/τ_имп, где τ_имп ‑ длительность зондирующего импульса. Значение промежуточной частоты (F_пр) также зависит от длительности зондирующего импульса и должно быть таким, чтобы не было временной дрожи фронтов огибающей импульса за счет неопределенности фазы сигнала заполнения (сигнал промежуточной частоты). Численно это условие выражается в виде F_пр  10/_имп. Из этого условия видно, что даже для импульса длительностью 10 нс промежуточная частота не может быть меньше 1 ГГц. Это автоматически означает, что ВПУ должно быть с одним преобразованием, а оцифровывается - продетектированный видеосигнал. В то же время, учитывая появление в настоящее время аналого‑цифровых преобразователей (АЦП) с тактовой частотой 4 ГГц, следует рассматривать возможность в перспективе вести оцифровывание сигнала на промежуточной частоте. Сквозная полоса пропускания ВПУ и соответственно частотная избирательность должна определяться одним функциональным узлом, все же остальные могут иметь полосу пропускания значительно больше (порядка (2 - 3)/τ_имп). Таким функциональным узлом должен быть специальный полосно-пропускающий фильтр (ППФ) в тракте промежуточной частоты. Полный коэффициент передачи ВПУ должен быть таким, чтобы выходные собственные шумы ВПУ занимали как максимум несколько младших разрядов АЦП. Исходя из этих условий, расчетная величина коэффициента передачи ВПУ ‑ примерно 85 дБ.

Ниже в качестве примера приводится функциональная схема ВПУ НИРЛС.

Рис. 5. Общая функциональная схема канала ВПУ.

Общая функциональная схема одного канала наносекундного ВПУ представлена на рис.5. В зависимости от типа примененного защитного устройства конкретная функциональная схема может несколько видоизменяться, однако, все функциональные узлы в ней будут присутствовать в том или ином виде.

Защитное устройство (ЗУ)

В зависимости от условий работы ВПУ (импульсная и средняя выходная мощность передатчика, развязка приемного и передающего трактов, возможность появления на входе ВПУ мощного наносекундного сигнала с неопределенным временем прихода, отраженного от близко расположенного местного предмета), выбирается тип защитного устройства (ЗУ). Для РЛС с совмещенной антенной и значительной выходной мощностью передатчика (как импульсной, так и средней) возможным типом ЗУ является электростатический усилитель (ЭСУ) и приборы на его основе, а еще более перспективным ‑ электронное защитное устройство (ЭЗУ) (и приборы на его основе). При выборе типа элемента защиты входного приемного устройства целесообразно рассматривать ЗУ вместе с входным малошумящим усилителем (МШУ). В этом случае возможно добиться оптимизации всего ВПУ по критериям: максимальная электропрочность - минимальный коэффициент шума - максимальный входной динамический диапазон.

Защитное устройство характеризуется следующими основными параметрами:

• максимальный входной сигнал в непрерывном режиме;

• максимальный входной сигнал в импульсном режиме;

• собственные потери на проход;

• глубина запирания;

• время срабатывания;

• время восстановления.

При работе в режиме очень коротких (наносекундных) зондирующих импульсов на первый план выходят такие параметры ЗУ, как максимальный входной сигнал в импульсном режиме, глубина запирания, время срабатывания и время восстановления. Кроме того, при совмещении в одном радиолокаторе режимов работы длинными импульсами и наносекундными импульсами очень важным параметром ЗУ становится максимальный входной сигнал в непрерывном режиме.

Для обеспечения защиты ВПУ от зондирующего импульса в момент излучения, попадающего на вход ВПУ за счет конечной развязки тракта прием‑передача, при работе в обычном режиме, можно допустить время срабатывания и восстановления ЗУ не более 0,10,2 мкс. Однако, при работе в наносекундном режиме для защиты ВПУ от случайного воздействия с неопределенным временем прихода (например, отражения от близко расположенных местных предметов) необходимо, чтобы ЗУ имело время срабатывания не более 310 нс (в зависимости от длительности зондирующего импульса), и время восстановления не более 1015 нс.

Один из типов ЗУ - газоразрядное защитное устройство - отпадает сразу из-за очень большого времени срабатывания и восстановления.

Анализ достижимых возможностей полупроводниковых защитных устройств показывает, что с их помощью можно получить глубину запирания 60 дБ (и более), максимальную входную среднюю мощность 100300 Вт, максимальную импульсную мощность 35 кВт и время срабатывания и восстановления до 20 нс. Однако, сделать такое полупроводниковое ЗУ, которое имело бы максимально достижимые характеристики сразу по всем указанным параметрам невозможно из-за противоречий в требуемых физических параметрах полупроводниковых приборов. В основном, это приводит к противоречию между максимальной входной мощностью и быстродействием. Так например, ЗУ с максимальной средней входной мощностью 100300 Вт или импульсной 1 кВт имеет время срабатывания и восстановления не менее нескольких микросекунд, а ЗУ с быстродействием, приближающемся к 20 нс, имеет максимальную среднюю входную мощность не более 1020 Вт. Из приведенных данных следует, что применение полупроводниковых ЗУ в наносекундных и комбинированных ВПУ имеет вполне конкретные ограничения: относительно невысокий уровень мощности передатчика или высокая развязка между передающим и приемным трактами (раздельные антенны); отсутствие отражения от близко расположенных объектов (либо воздействия других случайных наносекундных сигналов большой мощности) или увеличенная длительность импульса (40 нс и более). Необходимо также отметить, что полупроводниковые защитные устройства с большой глубиной запирания (порядка 60 дБ и более) и на большой уровень мощности имеют значительные собственные потери (4 дБ и более). При этом общий коэффициент шума ВПУ превысит 6 дБ.

Наиболее перспективным защитным устройством для данных целей является электростатический усилитель (ЭСУ) - вырожденный тип электроннолучевого параметрического усилителя, работающий на 1‑й циклотронной волне. Приборы такого типа удовлетворяют всем требованиям, предъявленным к ЗУ при работе как с наносекундными импульсами с весьма большой импульсной мощностью, так и в квазинепрерывном режиме с большой средней мощностью. Как защитное устройство современный ЭСУ характеризуется следующими параметрами: максимальный входной сигнал в непрерывном режиме ‑ более 300 Вт, максимальный входной сигнал в импульсном режиме ‑ до 100 кВт и более, глубина запирания ‑ более 60 дБ. Кроме того, по времени срабатывания он является практически безинерционным (отрабатывает импульс длительностью 5 нс при мощности порядка 100 кВт), время восстановления не превышает 10 нс даже при пиковой мощности воздействующего импульса 10100 кВт. Необходимо отметить, что ЭСУ одновременно является весьма малошумящим усилителем с большим динамическим диапазоном. Так современные электростатические комплексированные усилители (ЭСКУ), представляющие из себя ЭСУ со встроенным в единый корпус дополнительным малошумящим транзисторным усилителем, имеют коэффициент шума в 3‑х сантиметровом диапазоне < 3,5 дБ (в полосе частот более 400 МГц),коэффициент усиления 2024 дБ, максимальный входной сигнал в линейном режиме работы (по уменьшению коэффициента передачи на 1 дБ) ‑ до 0,01 мВт, а в режиме с выключенной накачкой  ‑ до 0,5 мВт.

Таким образом, с применением ЭСКУ можно создать исключительно хорошо защищенный (практически от любого типа воздействий) ВПУ с коэффициентом шума 4,55 дБ и динамическим диапазоном по входной мощности в линейном режиме до 0,01 мВт (0,5 мВт). Однако, следует отметить, что ЭСУ (и ЭСКУ тоже) требуют довольно сложного источника питания (высокостабильные ток накала и напряжения +200 В и +500 В).

В настоящее время разработан новый тип прибора на базе ЭСУ - циклотронное защитное устройство (ЦЗУ). Он работает на том же принципе, что и ЭСУ (модуляция электронного потока на 1‑ой циклотронной волне) и отличается от него отсутствием собственной усилительной структуры, то есть, является чисто защитным устройством. Не вдаваясь в технические подробности устройства ЦЗУ, необходимо отметить, что он имеет значительно более низкое питающее напряжение (одно напряжение 100 В вместо 500 В и 200 В у ЭСУ) и меньшую требуемую стабильность по цепям накала и +100 В, что приводит к значительному упрощению источника питания и уменьшению его габаритов. Кроме того, сам ЦЗУ имеет меньшие размеры и вес, чем ЭСУ. Защитные свойства ЦЗУ точно такие же, как и у ЭСУ. Однако ЦЗУ имеет большую полосу пропускания (более 6%) и динамический диапазон (входная мощность при уменьшении коэффициента передачи на 1 дБ до 1 мВт). Коэффициент шума данного прибора ‑ не более 1 дБ (включая собственные потери на проход). Преимущества ЦЗУ особенно значительны с ростом частоты (вплоть до частот 3540 ГГц). Так, даже в 3‑х сантиметровом диапазоне с помощью комплексированного прибора (ЦЗУ и встроенные в один с ним корпус малошумящий транзисторный усилитель и дискретный аттенюатор) можно создать ВПУ с коэффициентом шума не более 3 дБ (при использовании лучших малошумящих транзисторов) и динамическим диапазоном до 1 мВт.

При сравнении по размерам ВПУ с различными защитными устройствами (включая источники питания) окажется, что минимальные размеры и вес будет иметь ВПУ с полупроводниковым ЗУ, а максимальные ‑  ВПУ с ЭСУ (или с ЭСКУ). В то же время по электрическим параметрам (особенно по защитным) наилучшие показатели у ВПУ с ЦЗУ, а наихудшие ‑ с полупроводниковым ЗУ. ВПУ с полупроводниковым ЗУ разумно применять там, где требуются минимальные размеры и вес при условии, что выполнены требования по допустимым мощностям и быстродействию. Во всех остальных случаях желательно применять ЭСУ и ЦЗУ для достижения наилучших результатов, а также для обеспечения необходимых электропрочности и быстродействия. Если выбирать между ЭСУ и ЦЗУ, то на частотах ниже 56 ГГц наименьший коэффициент шума дает применение ЭСУ, а на частотах выше 56 ГГц применение ЦЗУ дает меньший коэффициент шума. Кроме того, с использованием ЦЗУ получается ВПУ с меньшими габаритами и весом и меньшей стоимости.

Регулировка усиления.

Для того чтобы полностью использовать весь динамический диапазон ВПУ (в основном, он определяется параметрами входного малошумящего усилителя ‑  МШУ), необходимо иметь систему регулировки коэффициента передачи. Причем система типа АРУ в данном ВПУ неприемлема, так как, во-первых, коэффициент передачи в течение любого пришедшего отраженного импульса должен быть постоянным, во вторых, он должен быть точно таким же в момент прихода этого же импульса в следующий период зондирования для работы алгоритма MTI типа "череспериодное вычитание". Поэтому, система регулировки коэффициента передачи (K_п) должна быть такой, чтобы K_п мог быть задан конкретным в любой момент времени и всегда был бы известен. Наиболее оптимальной для этих целей является дискретная регулировка K_п по временному или любому произвольному закону (по выбору оператора). Лучше всего для этого подходят фиксированные управляемые аттенюаторы, как наиболее стабильные, а наиболее удобный дискрет регулировки K_п ‑ 4 дБ. Исходя из параметров МШУ (практически любого), необходимый диапазон регулировки K_п ‑ 60 дБ. С точки зрения получения минимального коэффициента шума ВПУ без уменьшения максимального динамического диапазона коэффициент усиления входного МШУ должен быть 2025 дБ. Для того чтобы величина продетектированного сигнала была сопряжена с диапазоном входных сигналов АЦП при оцифровывании огибающей импульсов, на выходе ВПУ должен стоять видеоусилитель (ВУ). Исходя из параметров АЦП и оптимального режима работы детектора (для получения максимального мгновенного динамического диапазона детектора по входу), коэффициент передачи видеоусилителя должен быть не более 10 дБ. Для улучшения работы алгоритма MTI при невозможности синхронизации момента излучения с тактовой частотой оцифровывания в тракт ВПУ вводится опорный сигнал (продетектированный сигнал передатчика), сделать это лучше всего в видеоусилителе. Исходя из возможных параметров всех остальных узлов тракта ВПУ, с учетом требований к МШУ и ВУ, суммарный коэффициент передачи всех усилителей промежуточной частоты должен быть примерно 6570 дБ.