Использование СКИ для обнаружения МЛЗЦ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ
В ЦЕЛЯХ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОЗАМЕТНЫХ МОРСКИХ
ЦЕЛЕЙ
К.т.н., профессор В.П. Говорухин; к.т.н., доцент C.Г. Дементьев,
ТОВМИ ВУНЦ ВМФ «ВМА», г. Владивосток;
капитан 1 ранга Р.А. Халиман, командир в/ч 63332, г. Владивосток;
капитан 2 ранга Н.П. Васильев, старший преподаватель Института
береговой охраны ФСБ РФ, г. Анапа
Слабой стороной всех активных РЛС являются бурно развивающиеся
технологии уменьшения эффективной отражающей поверхности средств
воздушного нападения. За последние 15 лет технологии типа Stealth
привели к сокращению отражающей поверхности в десятки и даже сотни
раз, а на подходе уже новые, более совершенные технологии.
Однако разработчики поглощающих покрытий сталкиваются с
определёнными трудностями, связанными с инерционностью материалов и
глубиной проникновения электромагнитных волн (ЭМВ). Глубина
0
проникновения электромагнитных волн  в вещество связана с
ослаблением по полю А:
 Es (0)
A  20lg 
 Es ( z )

 20

 z  8,69 z , дБ.
 2,3

(1)
При прохождении слоя толщиной  амплитуда поля ослабляется в е
2
(е=2,718…) раз и, следовательно, в следующий слой проходит 1/ e
мощности сигнала.
В случае диэлектриков толщина поверхностного слоя значительна,
для проводников на высоких частотах она составляет доли миллиметра.
Для того чтобы энергия ЭМВ была полностью поглощена,
необходимо, чтобы групповая скорость Vãð (скорость переноса энергии)
была неизменной в полосе частот, занимаемой сигналом. При отсутствии
0
дисперсии Vãð  Vô , при нормальной дисперсии Vãð  Vô , а при аномальной
дисперсии Vãð  Vô . Современные летательные аппараты изготавливаются
из композитных материалов, обладающих дисперсией, соответственно
ширина спектра отражённого сигнала будет широкой.
Главной особенностью рассеянного поля сверхкоротких (СКИ)
видеоимпульсов является существенная трансформация формы импульсов
поля волны, падающей на объект, и появление дополнительных
спектральных составляющих, в том числе и комбинационных.
Одной из главных задач обнаружения и классификации малозаметных
целей, выполненных по технологии Stealth, с использованием СКИ,
является задача построения приемного тракта для субнаносекундных
импульсов, которая включает задачу выбора формы зондирующего
сигнала и учет ее трансформации при рассеянии сигнала
радиолокационным объектом.
Воспользуемся результатами работы «Радиотехнические системы»
[1], где приведено весьма простое аналитическое выражение для поля
обратного рассеяния импульсной электромагнитной волны, падающей на
металлическую прямоугольную пластину. Получено, что амплитуда
напряженности магнитного поля рассеянной волны пропорциональна
величине:
H1(t   a )  H1(t   a ) /(2 a ) ,
(2)
где H1 (t ) - форма импульса магнитного поля падающей волны; t - время
с началом отсчета, совпадающим с моментом прихода фронта падающей
волны к центру пластины;  a  a sin  (  - угол падения (он же и угол
рассеяния), отсчитываемый от нормали к пластине, а - размер пластины в
плоскости падения волны).
При нормальном падении волны, когда величина  a стремится к 0,
выражение (2) переходит в производную по времени H1 (t ) / t . Учитывая,
что амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей в
дальней зоне излучения и рассеяния отличаются между собой постоянным
множителем (волновое сопротивление среды), приходим к аналогичной
зависимости для напряженности электрического поля E (t ) рассеянной
волны от напряженности падающей [4]:
E (t )  mE1 (t ) / t ,
(3)
где m — множитель пропорциональности.
Соотношение (3) не вписывается в привычные представления
синусоидальной радиолокации, где в случае плоской пластины формы
импульсов падающей и рассеянной волн повторяют друг друга.
На основании выражения (3) на рис. 1 представлена качественная
картина трансформации формы одно- и двухполярного импульсов при
рассеянии поля падающей волны металлической пластиной.
Е
Е
è
а)
t
t
б)
Рис. 1. Импульсы падающей (а) и отражённой волн (б)
Целесообразно выбирать форму сигнала в виде последовательности
относительно небольшого числа чередующихся положительных и
отрицательных элементарных импульсов, расположенных вплотную друг к
другу; примером такого сигнала является двухполярный импульс,
состоящий из двух элементарных прямоугольных импульсов. Одной из
проблем приёма субнаносекундных импульсов является разработка
принципа обработки сигналов с учетом существенного изменения их
формы при отражении от объекта [2]. Среди других серьезных проблем
приема субнаносекундных импульсов следует, прежде всего, упомянуть
две: первая связана с обеспечением широкой рабочей полосы порядка 1 ...
3 ГГц, вторая - с цифровой обработкой сигналов. Проблема
широкополосности очевидна. Что касается цифровой обработки, то здесь
сложными техническими задачами является создание аналого-цифровых
преобразователей (АЦП) с высоким темпом оцифровки и обработка
больших цифровых массивов информации [3].
За счет дополнительной модуляции спектр сигнала  f (при
сохранении его длительности  ) расширяется. Следовательно, для такого
сигнала B   ; f  1 .
Амплитуда импульсов рассеянной волны зависит от крутизны
нарастания и спада фронтов прямоугольных импульсов, длительность - от
времени нарастания.
СКИ относится к электрическим импульсам (моноцикл Гаусса),
которые описываются первой производной от функции распределения
Гаусса. Для импульса длительностью 0,5 нс центральная частота – 2 ГГц и
ширина полосы – около 3,2 ГГц. Такой сигнал относится к
сверхширокополосным (СШПС), так как ширина полосы сигнала
составляет 160 % от центральной частоты.
Изменяя длительность моноцикла, можно управлять его центральной
частотой и шириной спектра на уровне 3дБ. Рассчитаем спектральную
плотность моноцикла длительностью 1 нс, с помощью программы MathCad
(рис. 2).
Рис.2. Спектральная плотность для импульса длительностью 1 нс
Спектральная плотность мощности такого сигнала очень мала и
напоминает обычный шумовой фон, а центральная частота импульса
обратно пропорциональна его длительности. Такой сигнал можно отнести
к шумоподобным сигналам.
Радиолокационные цели являются весьма сложными рассеивающими
телами, и задача о трансформации формы импульсов при рассеянии
объектами зависит от электродинамических параметров материала, из
которого выполнен исследуемый объект. Однако радиолокационную цель
можно рассматривать как совокупность отдельных рассеивающих
элементов, каждый из которых в зависимости от конфигурации создает
свой отражённый импульс в рассеянной волне; волна будет содержать
последовательность таких трансформированных импульсов с суммарной
длительностью, равной времени пробега сигналом двойного продольного
размера объекта. Кроме того, в зависимости от свойств материалов
меняется спектр отражённого импульса. Использование композиционных
материалов увеличивает ширину спектра отражённого сигнала. Решив
проблему приёма и обработки СКИ, можно решить проблему обнаружения
и классификации радиолокационных объектов, выполненных по
технологии Stealth.
В настоящее время искусственное расширение спектра сигнала, а
соответственно, и увеличение скорости передачи широко применяются с
целью повышения помехозащищённости радиолиний и борьбы с
интерференцией узкополосных УКВ сигналов (в зоне освещённости) в
точке приёма. Это достигается программной перестройки радиочастоты (в
военных системах связи, Bluetooth) или путём прямого расширения
спектра.
Для обнаружения СКИ может использоваться коррелятор или
согласованный фильтр. Предпочтительнее использовать коррелятор, при
этом функция автокорреляции сигнала имеет один основной выброс,
ширина которого определяется не длительностью сигнала, а шириной его
спектра, т.е. имеет вид, аналогичный функции автокорреляции шума с
ограниченной полосой частот.
Итак, СКИ имеют следующие особенности: отсутствие несущего
колебания, очень короткая длительность (единицы и доли наносекунд) и
соответственно очень широкая полоса частот. Малая длительность
импульса сигнала позволяет передавать его с высокой скоростью (десятки,
сотни мегабит в секунду), что уже реализовано в радиосвязи. Технология
Stealth подразумевает использование материалов, в которых энергия ЭМП
с малыми потерями переходит в тепловую энергию вещества. Для
перехода из состояния неупорядоченного (естественного) в упорядоченное
состояние и обратно требуется некоторое время, которое называется
временем релаксации (абсорбции)  ð . Величина  ð  1/  ð определяет
собственную частоту релаксации. Однако период СКИ значительно
меньше времени релаксации существующих материалов, используемых в
технологии Stealth, а значит, получить упорядоченное состояние диполей
исследуемого материала будет невозможно. Кроме того, этим объясняется
хорошее прохождение СКИ сквозь препятствия (сквозь стены), что
позволяет говорить о такой возможности, как видеть объекты сквозь
стены. У СКИ имеется и другое свойство, такое, как высокая
помехозащищенность, по отношению к пассивным помехам, что позволяет
их использовать в системе селекции движущихся целей (СДЦ).
Высокая помехозащищенность по отношению к пассивным помехам
естественного и искусственного происхождения объясняется тем, что
мощность обратного рассеяния для фиксированной дальности
определяется протяженностью излучаемого импульса.
Простой пример: если длительность импульса с синусоидальной
несущей составляет 50 мкс, а длительность ультракороткого - 0,5 нс, то
выигрыш в уровне обратного рассеяния, пропорциональный отношению
длительностей, составит 10 раз (при одинаковых для обоих импульсов
удельных характеристиках обратного рассеяния). По отношению к
непрерывному или квазинепрерывному излучению этот выигрыш еще
больше.
Высокая помехозащищённость от пассивных помех - весьма важное
преимущество ультракоротких импульсов при работе по целям с малыми
или нулевыми радиальными скоростями, когда доплеровская селекция
целей в случае синусоидальной радиолокации оказывается бессильной.
Одним из основных требований к радиолокационным системам
является требование возможности разрешения цели, имеющей малую
эффективную площадь рассеяния на фоне неподвижной (малоподвижной)
цели с большой эффективной площадью рассеяния. Такая задача может
возникать, в частности, при локации небольших объектов на земной и
морской поверхности, а также при обнаружении низколетящих объектов.
В традиционных радиолокационных системах с длинными
импульсами разрешение по дальности достигается применением частотной
модуляции лоцирующего импульса, существенно расширяющей его
эффективный спектральный диапазон, например в ЛЧМ. Однако в
процессе цифровой обработки возникают паразитные боковые полосы,
через которые может осуществляться подмешивание к выходному сигналу
отраженных сигналов от близлежащих целей. Таким образом, отраженный
сигнал от цели с большой эффективной площадью рассеяния может
полностью маскировать сигнал от цели с малой эффективной площадью
рассеяния, находящейся вблизи большой цели. Такой проблемы не
существует для радиолокационных систем с СКИ, так как там не требуется
использовать схем сжатия импульсов. Действительно, электромагнитное
излучение распространяется на 30 см за 1 наносекунду, поэтому при
использовании CКИ длительностью в несколько наносекунд может быть
непосредственно обеспечено метровое разрешение радиолокационных
измерений.
Таким образом, может быть обнаружена малозаметная движущаяся
цель на фоне значительной стационарной помехи. Проблема улучшения
характеристик обнаружения и сопровождения целей естественным образом
приводит к необходимости использования сверхкоротких (наносекундных)
мощных импульсов микроволнового диапазона для моноимпульсной
локации малозаметных объектов.
Литература
1. Говорухин В.П., Герасин В.А., Крючков А.С., Шмаков А.С.,
Юрченко Е.Н. Радиотехнические системы: учебник. - Владивосток:
ТОВМИ, 2007. - 336 с.
2. Говорухин В.П., Родионов В.А., Крючков А.Н., Кречетников К.Г.,
Юрченко Е.Н., Герасин В.А. Устройства приема и обработки сигналов:
учебник. - Владивосток: ТОВМИ, 2008. - 312 с.
3. Говорухин В.П., Герасин В.А., Нестерчук А.А., Россоха А.А.
Устройства сверхвысоких частот: учебное пособие. - Владивосток:
ТОВМИ, 2009. – 120 с.
4. Дементьев С.Г. Электродинамика и распространение радиоволн. –
Владивосток: ВГУЭС, 2011. – 84 с.