Работа обзорной РЛС морского базирования с перестройкой частоты в когерентном режиме с подавлением сверхрефракции

Представляем Вашему вниманию материалы доклада, который был представлен на межотраслевой научно-практической конференции «ВОКОР-2016», 9 ноября 2016 года.

Авторы доклада – Павел Новиков, Илья Шабаев, спикер - Павел Новиков, руководитель проектов, АстроСофт.

Введение
Для навигации, мониторинга окружающей обстановки и обнаружения целей в морских акваториях широко применяются корабельные радиолокационные станции (РЛС). Большинство из них работают в X и S диапазонах частот. Одновременно с развитием радиолокационных станций происходит развитие средств радиотехнического противодействия их работе. В связи с этим существует необходимость совершенствования помехоустойчивости РЛС. Для решения задачи повышения помехоустойчивости, в РЛС применяется между-импульсная перестройка несущей частоты зондирующего сигнала. Применение перестройки несущей частоты сигнала исключает прием паразитных импульсов, попадающих за счет сверхрефракции в соседний интервал зондирования, а также усложняет работу средств радиотехнического противодействия за счёт расширения частотного диапазона поиска радиолокационной станции, что значительно увеличивает время поиска, а также снижает эффективность постановки ложной цели в виде ответной помехи. Наряду с необходимостью перестройки несущей частоты зондирующего сигнала требуется обеспечить когерентное накопление сигнала РЛС для выполнения последующей фильтрации и селекции движущихся целей по частоте Доплера. Таким образом, существует противоречие между необходимостью сохранения когерентности РЛС и обеспечением её помехозащищённости. Для разрешения данного противоречия актуальной является задача обеспечения когерентной работы РЛС в режиме перестройки частоты. В статье предложен метод, обеспечивающий работу РЛС в когерентном режиме при перестройке частоты.

Структура РЛС и особенности её функционирования
Основным функциональным узлом, определяющим возможность решения задачи когерентной работы РЛС при перестройке частоты, является устройство формирования сигнала (далее – УФС). Для определения требований к УФС рассмотрим функциональную структуру радиолокационной станции, представленную на рисунке 1.

В УФС имеются два канала, формирующие, соответственно, сигнал U_С на несущей частоте f_C и сигнал U_Г на частоте гетеродина f_Г, которые разнесены на величину промежуточной частоты f_ПЧC. Сигнал U_Г формируется на выходе синтезатора прямого цифрового синтеза (ПЦС_ГЕТ). После фильтрации в блоке BPF (Band Pass Filter) сигнал U_Г поступает на входы квадратурного модулятора и смесителя приёмного тракта. Модулирующий цифровой сигнал φ_лчмi формируется в цифровом виде в ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема) и после цифро-аналоговой обработки и фильтрации поступает на квадратурный модулятор в качестве модулирующего сигнала. Квадратурный модулятор обеспечивает перенос сформированного сигнала u_ПЧС на несущую частоту. Основным преимуществом такого подхода к формированию сигналов является возможность установки независимой начальной фазы сигналов U_C и U_Г.

После усиления зондирующий импульс u_СЗ излучается антенным устройством. Принятый отражённый сигнал усиливается в приёмном тракте и в смесителе взаимодействует с сигналом гетеродина U_Г, в результате чего формируется сигнал U_ПЧ на промежуточной частоте f_ПЧ, отличающийся от сигнала U_ПЧС только фазой. Разница фаз ∆φ сигналов U_ПЧС и U_ПЧ фиксируется в фазовом детекторе устройства обработки сигналов. При работе на постоянной несущей частоте когерентность РЛС обеспечивается непрерывностью сигналов U_C и U_ПЧС. При этом изменение разницы фаз ∆φ будет обусловлено наличием доплеровской частоты в принимаемом сигнале и модуляцией сигнала.

При перестройке частоты зондирующего импульса происходит перестройка частоты f_Г сигнала U_Г. Сигнал U_ПЧС при этом выполняет функции модулирующего сигнала. Величина ∆φ при перестройке частоты будет изменяться в соответствии с фазочастотной характеристикой (ФЧХ) РЛС. ФЧХ может иметь произвольный вид в зависимости от особенностей РЛС, возможный вид ФЧХ представлен на рисунке 2.

Рисунок 2

Формируемые сигналы U_ПЧС и U_Г на входе квадратурного модулятора в общем виде могут быть представлены как:

  (1)

    (2)

где φ_СЛГ1 – случайная фаза сигнала U_Г, возникающая вследствие перестройки частоты f_Г, φ_ПЧС – начальная фаза сигнала U_ПЧС, задаваемая в ПЛИС, A(t) – функция амплитудной модуляции сигнала U_ПЧС.

Сформированный на выходе квадратурного модулятора сигнал U_C можно представить как произведение сигналов U_Г и U_ПЧС:

    (3)

После прохождения сигнала U_С через пространство до радиоконтрастного объекта и обратно фаза принятого сигнала U_СП смещается на величины φ_Д и φ_СЛС, зависящие от дальномерного расстояния и от ФЧХ цепей передающего и приёмного трактов соответственно. После усиления в приёмном тракте сигнал U_СП поступает на вход понижающего смесителя сигналов, на второй вход которого подаётся сигнал U_Г. В результате взаимодействия сигналов U_СП и U_Г в смесителе приёмного канала формируется сигнал U_ПЧ, который поступает на вход фазового детектора, на второй вход которого поступает сигнал U_ПЧО. На выходе фазового детектора формируется сигнал разницы фаз Δφ. Сигналы U_СП, U_ПЧ и Δφ определяются выражениями:

где φ_СЛ - обобщённая случайная фаза сигнала U_ПЧ равная сумме случайных фаз (φ_СЛС+φ_СЛГ1+φ_СЛГ2). Слагаемые φ_СЛГ1 и φ_СЛГ2 являются случайными фазами сигнала U_Г на входе квадратурного модулятора и понижающего смесителя соответственно. Для удобства в дальнейшем будет рассматриваться обобщённая случайная фаза φ_СЛ, сигнала U_ПЧ, зависящая от ФЧХ РЛС.

Наличие в каждом периоде зондирования у сигнала U_ПЧ случайной начальной фазы φ_СЛ делает невозможным его когерентное накопление и последующую обработку при работе в режиме перестройки частоты.

Фазировка РЛС
Для решения задачи обеспечения когерентной работы РЛС в режиме перестройки частоты предлагается проводить фазировку РЛС для компенсации случайной начальной фазы сигнала U_ПЧ при перестройке частоты. Основной задачей фазировки сигнальной и гетеродинной линий является определение случайной фазы сигнала φ_СЛ для разных частот, с последующей её компенсацией в сигнале U_ПЧС. Проведение фазировки должно осуществляться после установки радиолокационной станции на носитель и завершения её регулировки.

Для проведения фазировки РЛС необходимо обеспечить наличие радиоконтрастного объекта в зоне прямой радиовидимости. Фазировку необходимо выполнять, обеспечив минимальную подвижность носителя РЛС и радиоконтрастного объекта. При невозможности соблюдения указанных условий фазировку можно проводить до установки РЛС на носитель с использованием аттестованной отражательной линии задержки подключаемой вместо антенного устройства к РЛС.

Фазировка проводится при отсутствии частотной модуляции в сигнале U_ПЧС. При проведении фазировки РЛС происходит облучение эталонного радиоконтрастного объекта последовательно на всех частотных точках. По полученному от эталонной цели отклику выполняется оценка величины Δφ для каждой частотной точки РЛС.

В отсутствии частотной модуляции, а также взаимного перемещения РЛС и радиоконтрастного объекта, сигнал Δφ (6), формируемый на выходе фазового детектора, будет определяться как:

    (7)

За счёт регулировки начальной фазы φ_ПЧС сигнала U_ПЧС осуществляется изменение величины Δφ, при этом значение начальной фазы φ_ПЧС, соответствующее минимальному значению Δφ, запоминается в ПЛИС для каждой частотной точки. Таким образом, формируется массив φ_ПЧСi начальных фаз сигнала U_ПЧС для каждой частотной точки.

В дальнейшем, при штатной работе РЛС в режиме перестройки частоты в формируемый УФС сигнал U_ПЧС добавляется соответствующее компенсирующее значение фазы из массива φ_ПЧСi, точно повторяющее функцию Δφфчх РЛС, представленную на рисунке 2. В результате выполнения фазировки выражение (5) для сигнала U_ПЧ будет иметь вид:

    (8)

где Δφi – ошибка фазировки на i-й частоте.

Ошибка фазировки Δφ обычно не должна превышать дискрета регулировки начальной фазы φ_ПЧС, который в свою очередь определяется возможностями ПЛИС и ЦАП, и не превышает единиц градуса. Такая точность фазировки позволяет обеспечить когерентное накопление сигнала U_ПЧ при перестройке частоты.

Необходимо упомянуть, что компенсирующее значение начальной фазы φ_ПЧСi необходимо вносить в сигнал U_ПЧС между периодами зондирования, перед изменением частоты f_Г сигнала гетеродина. После чего по стробу начала периода зондирования выполняется частотная модуляция и усиление мощности сигнала. Данное условие необходимо, чтобы обеспечить завершение переходных процессов до начала формирования зондирующего импульса. Время, необходимое для завершения переходного процесса, определяется для каждой РЛС отдельно.

Заключение
Описанный метод фазировки сигнального и гетеродинного каналов обеспечивает когерентную работу РЛС в режиме перестройки частоты. Это позволяет существенно повысить помехозащищённость РЛС, а также подавить сигналы, формирующиеся от целей вследствие явления сверхрефракции, за счёт однозначного соответствия по частоте излучённого и принятого импульсов зондирующего сигнала.

В настоящее время для отработки и исследования решений при проектировании и модернизации радиолокационных станций в компании “Астрософт” проводится разработка программно-аппаратного имитационного комплекса для проведения испытаний РЛС.

ЛИТЕРАТУРА

1. Беляева А.В., Ицкович Ю.С., Новиков П.А., Сливко С.А.
Перспективы квадратурного кодирования с прямым цифровым синтезом сигналов в когерентных радиолокаторах. “Корабельные и бортовые многоканальные информационно-управляющие системы” НТС, вып. 10,2008г.

2. Ицкович Ю.С., Новиков П.А.
Пути реализации режима ДОЛ в когерентных ГСН с перестройкой частоты. Корабельные и бортовые многоканальные информационно-управляющие системы” НТС, вып. 17, 2013г.