Параметрический радиолокационный метод обнаружения малых беспилотных летательных аппаратов с использованием узкополосных квазинепрерывных сигналов

Цитирование: Когтин, А. В. Параметрический радиолокационный метод обнаружения малых беспилотных летательных аппаратов с использованием узкополосных квазинепрерывных сигналов / А. В. Когтин, А. Н. Фомин, В. В. Лой, Г. Я. Шайдуров, Д. А. Чаринцев, В. А. Копылов // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2022, 15(2). С. 216–222. DOI: 10.17516/1999-494X-0384

Известно, что особенностью тактики использования разведывательных и боевых МБЛА является работа на небольших высотах, порядка 100–2000 м, при скоростях полета до 100 км/ч, в том числе и в режиме зависания, когда скорость летательного аппарата (ЛА) близка к нулю. При этом ЭПР объекта радиолокации находится в пределах менее 0,1 м2, что не дает возможности их обнаружения традиционной импульсной техникой радиолокации, а использование миллиметрового или оптического диапазона связано с существенным влиянием метеоусловий [1–4].

В источниках [5–7] описывается метод обнаружения подобных целей с использованием РЛС автодинного типа и приводятся данные экспериментов в лабораторных условиях, осуществленных в лаборатории радиолокации Сибирского федерального университета в 2015 г. Эти эксперименты показали, что самолетная модель МБЛА четко идентифицируется с дистанции 10–15 м автодинной РЛС на рабочих частотах 2,5 и 10 ГГц путем выделения частоты вращения винтов, как металлических, так и пластмассовых.

На рис. 1 показана структурная схема РЛС с мощностью передатчика до 5 мВт при использовании зеркальной антенны площадью 1 м2 с двумя вибраторами, формирующей две взаимно ортогональные диаграммы направленности. Поскольку применяется автодинный принцип работы, то структура приемника представляется предельно простой. Сигналы с двух – 217 – взаимно ортогональных вибраторов антенны (1) поступают непосредственно на смеситель (2) и далее на фильтры низких частот (3). Фильтры низких частот, настроенные каждый на свою частоту F1, F2, пропускают принятые сигналы на фазовые детекторы, где выделяются их огибающие, и далее через аналого-цифровой преобразователь (5) поступают на пороговое устройство (6), где принимается решение о наличии цели или ее отсутствии. С выхода порогового устройства полезный сигнал поступает на микропроцессор, где осуществляется его цифровая обработка, и далее на устройство отображения (7) в виде спектра, как видно на рис. 2, 3.

Как изображено на рис. 2, частота вращения винтов четко проявлялась в виде дискретных линий спектра, а смена винтов модели МБЛА с металлических на пластиковые в целом мало отражалась на их амплитуде.

Дадим энергетическую оценку дальности действия автодинной РЛС в зависимости от диапазона используемых частот.

При мощности излучения передатчика P пер , ЭПР цели σ ц = 0,1 м², эффективной площади антенны S _пр = S _пер = 1 м² мощность принятого сигнала P _пр на дистанции R для данной рабочей

Рис. 1. Структурная схема узкополосной РЛС с квазинепрерывным излучаемым сигналом

Fig. 1. Block diagram of a narrowband radar with a quasi-continuous radiated signal

Рис. 2. Спектры принимаемых сигналов с дисплея (материал винта – диэлектрик)

Fig. 2. Spectra of received signals from the display (screw material – dielectric)

Рис. 3. Спектры принимаемых сигналов с дисплея (материал винта – углепластик)

Fig. 3. Spectra of received signals from the display (the screw material is carbon fiber)

длины волны λ можно оценить через уравнение радиолокации для случая отражения от корпуса МБЛА, которое имеет вид

(4лг2)2     ’                                                            ⁽¹⁾

где P _пер - мощность передатчика; G = 4тт-^ — коэффициент направленности действия передающей антенны; о_ц - эффективная площадь рассеяния цели; Sпр, S _пер - эффективные площади приемной и передающей антенн соответственно; r - расстояние до цели; к - коэффициент поглощения радиоволн в среде распространения.

Коэффициент к можно принять равным 1, если считать, что волна распространяется в вакууме без потерь и без интерференции.

Таким образом, принимаемая мощность уменьшается пропорционально 4-й степени расстояния.

Для случая использования сигнала, отраженного от винта МБЛА, как элементарного вибратора с длиной L уравнение радиолокации можно получить через оценку плотности потока мощности волны передатчика в районе цели:

П1=^е-2кг                               (2)

Е2 В

Поскольку П1 = — (—), где Wc = 377 Ом - волновое сопротивление пространства, то от сюда напряженность поля радиоволны в районе винта

Ei = V^ (В/м).                                   (3)

Тогда напряженность поля, отраженного от винта, составляет Е2 = EiL, а мощность отра женного от винта сигнала

№L)2 П^ _

Р = ^{Х            Х L} 7 2

2 “ ^ - v/B

Мощность сигнала на входе приемника такова:

Р _ ^mV^iip W_CL² -2kr

^2r (4nr²)2 W_v

Для оценки P2v можно воспользоваться также формулой (1) с подстановкой ЭПР винта σ данной в справочнике [8]. Далее можно оценить потери в мощности сигнала через оценку соотношений (1) и (5):

_ W_CL²

^np О ₍ W_v ^

При W c = 377 Ом, Wv = 75 Ом, σ ц = 0,1 м², L = 0,2 м получим:

P_2u _ 377*0,04

Pnp “  75*0,1

Таким образом, мощность отраженного сигнала от винта в два раза выше, чем от корпуса цели.

Дадим численную оценку минимальной требуемой мощности передатчика в автодинном и импульсном режимах на дальности r = 10 км при λ = 3*10^–2 м, S_a = 1 м², σ_ц= 0,1 м². В этом случае

5          1

G = 4л= 4л------г = 1,4 * 104 л 2     9* IO"4

Согласно (1) для автодинного режима без учета потерь в среде

_ Рш(4лг2)2 "nep - q

4 = ^ = ic. Мощность шумов

^^пр^ц

Здесь заданное соотношение сигнал/шум на входе приемника на входе приемника определяется выражением Рш = /сТ«Д/, где k = 1,38∙10–23 Вт/Гц∙град – постоянная Больцмана; T° - 300°K – относительная температура шума по Кельвину; Δf = 1 Гц – полоса пропускания приемника.

После подстановки исходных параметров в выражение (8) получим:

PneD = io             Рш = 1.38 * 10"23 * 300 * 1 = 4.2 * 10"21 Вт, neP l,4*104*l*0,l ’ ш

1.6 *4.2* IO"2           £Pa =--------------= 4.8 * IO"6 Вт.a 1.4 *104

Для импульсного режима при длительности импульса τ = 3 * 10^–6 с и накоплении в при-

T 1

емнике пачки из h = — = ,      = 1.5 * 10^bимпульсов

28   6 * IO"6               3

p .

1 nept

= ^nep---IT----5 = — * 10 = 4,44 Pt.

nep 3*10-6*1,5*10s    4.5                 1

Как видим, проигрыш по мощности передающего устройства импульсного режима авто-динному режиму составляет более чем в 4 раза.

На дистанции r = 10 000 м запаздывание радиосигнала по времени составляет

T = 10^–4 c, а длительность импульсов при разрешении по дальности Δ r = 100 м должна быть

Ar 100

не менее чем -- = 7--7777 = 0-3 ИКС.

c 3 * 10^H

Оттуда требуемая полоса пропускания приемника должна составлять A/M = 3 * _6 = 3.3 * 106 Гц.

Следовательно, уровень шума возрастет в 10 раз и проигрыш автономному параметрическому режиму возрастет до 40 раз. При этом длительность импульса передатчика должна быть короткой (300 наносекунд), что сложнее реализовать. В этом случае обнаружение цели по частотам вращения винта потребует в приемнике демодуляции по амплитуде пачки импульсов.

Представленная схема построения РЛС и сравнительная энергетическая оценка непрерывного и импульсного режимов радиолокации показывают явные преимущества первой по обнаружению летательных аппаратов с ЭПР менее 0,1 м2.