Antenna array control system with combination of strength and flexible scanning programs

Full Text

Введение

В большинстве случаев задачу обнаружения и сопровождения целей решают в ходе реализации жесткой программы последовательного или смешанного обзора пространства [1]. При реализации смешанного обзора пространства антенную систему устанавливают на опорно-поворотном устройстве, которое обеспечивает механическое сканирование в азимутальной плоскости, в режиме излучения формируют диаграмму направленности (ДН) специальной формы, перекрывающую зону обнаружения в угломестной плоскости и распределяют вдоль этой зоны веер приемных лучей [2–4]. Расширение луча в угломестной плоскости приводит к потерям усиления антенны относительно максимального значения, что является платой за возможность одновременного обзора в угломестной плоскости. При этом задача обнаружения и сопровождения объектов в радиолокации затрудняется тем, что уровень отношения сигнал/ шум (ОСШ) в ряде случаев может оказаться ниже порогового уровня. При этом отметки, не удовлетворяющие критерию обнаружения по уровню ОСШ, просто отбраковываются.

В работе [5] был предложен способ обзора пространства, при котором жесткая программа смешанного обзора пространства совмещалась с дополнительным режимом обзора. Известно [6], что существуют зоны обнаружения, которые характеризуются изменением дальности до границы зоны обнаружения от максимального к минимальному значению вдоль угломестной координаты. При использовании режима обзора с однозначным измерением дальности время ожидания эхо-сигналов с различных угломестных направлений является неодинаковым. Это позволяет использовать часть «освободившихся» приемных лучей для дополнительного обзора пространства. При этом требуется излучение дополнительного зондирующего импульса в новом азимутальном направлении. В работе [5] отсутствуют рекомендации по выбору параметров дополнительной программы обзора. В связи с этим представляется актуальной задача разработки структуры системы управления антенной решеткой с совмещением жесткой и гибкой программ обзора, алгоритма функционирования такой системы и оценки ее потенциальной эффективности.

Цель статьи состоит в обнаружении малозаметных объектов за счет совмещения жесткой программы смешанного обзора с гибкой программой обзора пространства.

1. Разработка структуры системы управления антенной решеткой

В настоящее время в качестве антенн, реализующих параллельный обзор пространства, используют приемо-передающие антенные решетки (АР). В работах [7; 8] была предложена система последовательного обзора, которая реализовала гибкую программу обзора пространства на основе рекомендаций системы экспертных оценок. Наличие системы экспертных оценок позволяет оценить время излучения нового зондирующего импульса и пространственную ориентацию передающего и приемных лучей АР. Входными данными для системы экспертных оценок являются: траектории и классы распознанных объектов. В этом случае излучение и позиционирование лучей устанавливают в соответствии с приоритетом сопровождаемых целей.

Следуя работам [7; 8], в систему управления АР должны быть включены экспертная система, модуль статистики, а также модули первичной и вторичной обработки сигналов, которые позволяют выделить информацию о пространственной ориентации отметок, строят траекторию и идентифицируют класс целей.

Управление программой обзора и формированием передающей и приемных ДН осуществляет аппаратно-программный комплекс (АПК) синхронизации и контроля, сигналы которого поступают на входы всех элементов системы управления АР [9].

Пространственное управление формируемыми ДН реализует АПК формирования передающей ДН и АПК формирования приемных ДН. В связи с этим выходные сигналы экспертной системы должны быть связаны с соответствующими входами АПК синхронизации и контроля, АПК формирования передающей и приемных ДН.

В результате можно заключить, что система управления АР, должна иметь структуру, приведенную на рис. 1. На данном рисунке серым цветом выделены модули, которые должны быть добавлены в систему управления АР, а штриховыми линиями – новые связи.

 

Рис. 1. Предлагаемая структура системы управления АР

Fig. 1. Proposed structure of the AR management system

 

Несложно заметить, что предлагаемая структура интегрирует в систему управления АР все основные элементы радиолокационной системы, что отражает общую современную тенденцию интегрирования антенны в систему обработки сигналов и отличает от структуры РЛС предыдущих поколений, приведенную, например, в [10].

В предлагаемой структуре особенно важное значение приобретает АПК вторичной обработки, в котором решают задачи прогнозирования положений целей и их распознавания. Класс объекта играет определяющую роль при определении приоритетов для выбора интересующих целей дополнительными лучами по гибкой программе обзора.

2. Разработка алгоритма управления АР и оценка его эффективности

Рассмотрим алгоритм управления АР, отвечающий структуре на рис. 1.

В соответствии со способом обзора пространства [5] время излучения дополнительного луча должно быть выбрано из условий:

– достаточного числа «свободных» приемных лучей, ориентированных в пространственную область с минимальной дальностью до границы зоны обнаружения. Как показали оценки, приведенные в [5], это условие выполнимо после того, как время ожидания эхо-сигналов превышает $\mathrm{0,3...0,5}T,$ где $T$ – период следования зондирующих импульсов, выбранный из условия однозначного определения максимальной инструментальной дальности системы;

– наличия в предыдущем обзоре интервала времени, соизмеримого с длиной зондирующего импульса, свободного от радиолокационных отметок по соответствующей дальности или с минимальным числом отметок;

– с учетом необходимого времени для приема отраженных сигналов от целей.

После определения момента времени излучения дополнительного зондирующего импульса осуществляют прогнозирование углового положения интересующей обнаруживаемой цели наиболее высокого приоритета и выбирают азимутальное и угломестное положение максимума дополнительного передающего луча, а также его ширину в азимутальном и угломестном направлениях, распределяют приемные лучи вдоль дополнительного передающего луча.

Как правило, число приемных лучей современных АР ограничено пропускной способностью линий связи с последовательной передачей данных, используемых в системе цифрового диаграммообразования [11]. В связи с этим число свободных приемных лучей всегда будет меньше, чем доступное число приемных лучей АР. Это означает, что дополнительный передающий луч АР должен иметь меньшие угловые размеры, чем луч, используемый для реализации жесткой программы смешанного обзора пространства. Это позволяет увеличить плотность потока мощности у цели и улучшить вероятностные показатели обнаружения (вероятности правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги).

Излучение дополнительного зондирующего луча осуществляют, подбирая момент времени, удовлетворяющий сформулированным выше условиям.

При наличии всех необходимых данных жесткая программа обзора дополняется гибкой программой.

На рис. 2 приведен алгоритм реализации гибкой программы обзора для обнаружения малозаметных целей.

В соответствии с предложенным алгоритмом к существующей системе управления АР предъявляются требования к дополнительной установке передающего и приемных лучей на основе пороговой обработки. В соответствии со структурой на рис. 1 пороговая обработка может быть также совмещена с разделением объектов на классы и формированием траекторий, т. е. после реализации вторичной обработки сигналов. Это означает, что на рис. 2 предложен наиболее простой алгоритм обнаружения малозаметных целей, отвечающий структуре системы управления АР на рис. 1.

Рассмотрим пример реализации предлагаемого алгоритма управления АР, при совмещении жесткой и гибкой программ обзора [5]. Пусть дальность действия системы составляет 200 км, а максимальная высота полета обнаруживаемой цели составляет 20 км. По углу места протяженность зоны обнаружения составляет  Для приема сигналов система использует $N=21$ приемных лучей с шириной луча по углу места и ${\Delta }_{\phi }=2°$ − по азимуту. В таблице приведены дальности действия РЛС в точках пересечения соседних приемных лучей и продолжительность использования лучей для реализации жесткой программы обзора.

Для реализации гибкой программы обзора необходимо дождаться «освобождения» хотя бы четырех приемных лучей. Как видно из таблицы, лучи с номерами 18…21 освобождаются после 0,171 мс. Это означает, что оставшееся время ожидания эхо-сигналов составляет $\mathrm{1,333}-\mathrm{0,171}=$$\mathrm{1,162}$ мс позволяет обеспечить обнаружение целей на максимальном расстоянии порядка 174 км.

 

Рис. 2. Алгоритм управления АР, совмещающий жесткую программу смешанного обзора с гибкой программой обзора для отобранных целей

Fig. 2. AR control algorithm combining a rigid mixed survey program with a flexible survey program for selected targets

 

Таблица. Оценка продолжительности использования лучей для реализации жесткой программы обзора

Table. Estimation of the duration of the use of beams for the implementation of a rigid survey program

№ луча	${\theta }_0,$ град	$R\left(\theta \right),$ км	twait, мс
1	0	200	1,333
2	3	200	1,333
3	6	169,95	1,133
4	9	120,74	0,805
5	12	93,08	0,621
6	15	75,65	0,504
7	18	63,79	0,425
8	21	55,23	0,368
9	24	48,79	0,325
10	27	42,37	0,283
11	30	39,81	0,265
12	33	36,59	0,243
13	36	33,93	0,226
14	39	31,71	0,211
15	42	29,83	0,199
16	45	28,24	0,188
17	48	26,88	0,179
18	51	25,71	0,171
19	54	24,70	0,165
20	57	23,83	0,159
21	60	23,10	0,154

 

Максимальное значение коэффициента направленного действия (КНД) АР, на примере которой моделировались энергетические характеристики системы обнаружения, был равен 37,9 дБ, а при формировании ДН специальной формы – 35 дБ. Снижение КНД при формировании ДН специальной формы для передающей АР соответствует уменьшению излучаемой мощности. В результате при подтверждении отметки цели выигрыш в плотности потока мощности зондирующего сигнала у цели может составлять 6 дБ и более в зависимости от угломестной координаты ориентации дополнительного луча.

Снижение ОСШ в измерительном канале влияет на вероятностные показатели обнаружения. Например, если заданы вероятность правильного обнаружения $\mathrm{0,99}$ и вероятность ложной тревоги ${10}^{-5},$ то по формуле Альбершейма [12] пороговое значение ОСШ составляет 13,9 дБ. Совмещение жесткой и гибкой программ обзора позволяет в канале жесткой программы снизить пороговое значение ОСШ на 6 дБ, а при реализации гибкой программы обзора осуществлять подтверждение обнаруженных целей с пороговым значением ОСШ, обеспечивающим заданные вероятностные характеристики обнаружения.

Это позволяет заключить, что реализация разработанных структуры системы управления АР с системой экспертных оценок и алгоритма ее функционирования с совмещением жесткой и гибкой программ обзора позволяет повысить энергетические характеристики дополнительного луча по крайней мере на 6 дБ и существенно повысить вероятность обнаружения малозаметных целей, которые при реализации жесткой программы обзора обычно могут отбраковываться.

Заключение

1. Разработанная структура системы управления АР отличается включением модулей статистики и системы экспертных оценок в цепь обратной связи обработки сигналов, а также дополнительными связями данных модулей с системой управления передающего и приемных лучей АР.
2. Разработанный алгоритм управления АР отличается наличием дополнительных операций для подтверждения отметок с низким уровнем ОСШ после пороговой проверки и опирается на способ обзора пространства, предложенный в патенте [5]. Его реализация позволяет повысить энергетические характеристики дополнительного зондирующего луча на 6 дБ и обеспечить обнаружение малозаметных целей при сниженном пороговом уровне ОСШ в ходе жесткой программы смешанного обзора. Подтверждение отметок можно осуществлять при помощи дополнительного луча гибкой программы обзора и пороговом уровне ОСШ, обеспечивающем заданные вероятности обнаружения и ложной тревоги.

About the authors

Larisa V. Vinnik

FRPC «FSUE “RSRIRC”»

Email: mihome@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4906-9215

Software Engineer

Russian Federation, 130, Nansen Street, Rostov-on-Don, 344038

Sergey E. Mishchenko

FRPC «FSUE “RSRIRC”»

Author for correspondence.
Email: mihome@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3210-1485

Doctor of Technical Sciences, Professor, Leading Researcher

Russian Federation, 130, Nansen Street, Rostov-on-Don, 344038

References

Supplementary files