автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Обнаружение малозаметных объектов обзорной РЛС предупреждения столкновений и контроля воздушного движения при наличии шумов и помех

На правах рукописи

Нгуен Тхань Хынг

обнаружение малозаметных объектов

обзорной рлс предупреждения столкновений и контроля воздушного движения при наличии шумов и помех

Специальность 05.12.14 - «Радиолокация и радионавигация»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2005 г.

Работа выполнена на кафедре Радиолокации и радионавигации Московского авиационного института (Государственного технического университета).

Научный руководитель: к. т. н., доцент

Плёкин В. Я. Официальные оппоненты: д. т. н., профессор

Ведущая организация:

Юдин В. Н. к. т. н., с. н. с. Панин Б. А.

Федеральное Государственное научное учреждение " Н И И П М Э".

Защита диссертации состоится «.........»...............2005 г. в.......часов на

заседании диссертационного Совета Д 212.125.03 Московского авиационного института (Государственного технического университета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Отзыв, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 125993, Москва, А - 80, ГСП - 3, Волоколамское шоссе, д. 4. Ученый Совет МАИ.

Автореферат разослан «........»........................2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.125.03, к. т. н., доцент

Сычёв М. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

С развитием транспортной и технической авиации значительно возрастает число летательных аппаратов (ЛА). В том числе имеется несколько видов малозаметных ЛА (МЛА): спортивные и малоразмерные самолёты, планёры и т. д. Кроме того, анализ зарубежной научно-технической и патентной литературы, рекламных сообщений, а также работ, отражающих опыт разработки и создания новой авиационной техники, показывает, что в настоящее время одной из отраслей современной авиационной промышленности является создание МЛА. В существующих системах предупреждения столкновений и контроля воздушного движения основным средством обнаружения ЛА является радиолокационная станция (РЛС). Основные трудности обнаружения МЛА связаны с небольшой величиной эффективной площади рассеяния (ЭПР) МЛА, что значительно снижает дальность их обнаружения, а также снижение радиолокационной заметно-сти (РЛЗ) МЛА при неблагоприятных метеорологических условиях, наличии пассивных помех и других источников техногенных помех. Таким образом, указанные причины приводят к уменьшению дальности и надежности обнаружения МЛА, и, следовательно, уменьшению способности предупреждения столкновений и обеспечения авиационной безопасности.

Все это обусловило широкий фронт исследований как в России, так и за рубежом, направленных на поиск способов и возможных путей повышения надежности обнаружения МЛА в условиях наличия шумов и воздействующих помех.

Более эффективны приёмы борьбы со снижением РЛЗ, основанные на использовании его основных недостатков: зависимости ЭПР от положения МЛА и рабочей частоты РЛС, частотной узкополосности и незначительности секторов, в пределах которых обшивка ЛА устраняет эффект уголкового отражения. Совершенствование технологий создания новой элементной базы, вычислительных средств, способов обработки сложных сигналов, достижения и успехи в области моделирования электродинамических и электрических процессов, использование широкополосных сигналов, мультистатических принципов наблюдения позволили вплотную приблизиться к решению такой проблемы, как обнаружение малозаметных, слабоконтрастных объектов при их наблюдении в сложных (природных и техногенных) условиях.

С учетом выше изложенного можно сформулировать основные цели и задачи диссертационной работы.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является исследование методов повышения надежности обнаружения МЛА при наличии шумов и помех. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе рассмотрены и решены следующие задачи:

• анализ причин снижения РЛЗ МЛА и путей повышения эффективности обнаружения МЛА, определение их достоинств и недостатков и выбор перспективных методов обнаружения МЛА при наличии шумов и помех;

• на основе анализа возможностей применения различных широкополосных

зондирующих сигналов предложено использовать дискретно-модулированные по частоте сигналы (ДМЧС) и системы ДМЧС (СДМЧС), позволяющие повысить энергетические характеристики РЛС и обеспечить низкий уровень боковых лепестков (УБЛ) и высокую разрешающую способность по задержке и частоте;

• синтез и анализ алгоритмов формирования функции неопределенности (ФН) ДМЧС и СДМЧС с заданными свойствами;

• разработка и моделирование алгоритмов и устройств обнаружения МЛА, расчет характеристик обнаружения и дальности обнаружения МЛА при наличии шумов и помех;

Методы исследования

Методы математического синтеза и анализа и методы статистического расчета и моделирования на ЭВМ.

Цифровые методы обработки сигналов и методы цифрового моделирования случайных процессов.

Научная новизнаработы

• Для повышения энергетических возможностей РЛС и надежности обнаружения МЛА предложено использовать в качестве зондирующих сигналов широкополосные ДМЧС и системы ДМЧС.

• Получены алгоритмы синтеза ДМЧС и СДМЧС и проведен расчет и анализ алгоритмов формирования ФН ДМЧС и СДМЧС.

• Предложен комплексный критерий оптимизации параметров ДМЧС и СДМЧС для формирования ФН с заданными свойствами, обеспечивающими низкий УБЛ и высокую разрешающую способность по задержке и частоте.

• Предложены алгоритм и устройство обнаружения МЛА при наличии шумов и помех.

• Получены результаты анализа надежности обнаружения МЛА при наличии шумов и помех на основе расчета характеристик обнаружения и дальности обнаружения МЛА.

Практическая значимостьрезультатовработы

• Разработана математическая модель и методика оптимизации параметров и формирования ФН ДМЧС и СДМЧС с заданными свойствами.

• Предложена схема устройства оптимального обнаружения МЛА при наличии шумов и помех.

• Разработаны алгоритм, программа моделирования и расчета ФН ДМЧС и СДМЧС, рассчитаны характеристики обнаружения и дальность обнаружения МЛА при наличии шумов и помех.

• Даны рекомендации по комплексированию различных обнаружителей для повышения надежности обнаружения МЛА.

Основные положения, выносимые на защиту

• Использование широкополосных ДМЧС и СДМЧС позволяет повысить энергетические возможности РЛС, надежность и дальность обнаружения МЛА и обеспечить высокую разрешающую способность по задержке и частоте.

• Предложенный алгоритм формирования ДМЧС и СДМЧС с использованием весовой обработки парциальных импульсов позволяет оптимизировать параметры ФН и обеспечить заданные свойства ФН при обнаружении МЛА.

• Предложен алгоритм и устройство обнаружения МЛА, позволяющий повысить дальность и надежность обнаружения МЛА при наличии шумов и помех.

• Проведенный анализ и расчет характеристик обнаружения и дальности обнаружения МЛА, показал высокую надежность обнаружения при наличии шумов и помех, за счет использования предложенных ДМЧС и СДМЧС, оптимизации несущей частоты зондирующих сигналов и использования возможностей многопозиционной РЛС (МПРЛС).

Апробация результатов работы и публикации Основные положения и результаты работы опубликованы в 5 статьях в журнале "Изв. вузов. Радиоэлектроника" и Межвузовском сборнике научных трудов "Методы и устройства передачи и обработки информации" (СПб.: "Гидрометео-издат"), и опубликованном докладе на 5-ой международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение» (Москва, 2003).

Объем и структураработы Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 130 страниц, 60 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 82 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, дан обзор состояния вопроса, сформулированы цель и основные задачи исследования, описаны состав и структура работы, показаны ее научная новизна и практическая ценность, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ причин уменьшения РЛЗ ЛА. Главная причина этого уменьшения - небольшие значения ЭПР МЛА. Другая причина - совместное действие уменьшения ЭПР и воздействующих помех. Когда дальности до обнаруживаемых ЛА и источников помех практически совпадают, общий коэффициент снижения дальности обнаружения

где — коэффициенты снижения дальности обнаружения при авто-

номном действии воздействующих помех и снижения ЭПР соответственно.

В главе рассмотрены возможные пути повышения эффективности обнаружения МЛА. Проведен анализ возможностей рассмотренных путей и дана оценка достоинств, недостатков и ограничений каждого из них с целью выбора наиболее перспективных для решения поставленной задачи.

На основании проведенного анализа проведено обоснование использования широкополосных ДМЧС в качестве зондирующих сигналов для повышения энергетических возможностей РЛС и обеспечения высокой разрешающей способности по задержке и частоте, а также низкого УБЛ пьедестала трехмерного тела ФН.

ДМЧС общей длительностью Тс состоит из N радиоимпульсов длительностью Т с одинаковыми огибающими, которые смещены друг относительно друга по частоте на величину равную эффективной ширине спектра радиоимпульса, принимают значения частоты из множества № г = 1, 2,..., N последовательно-

V* ,

сти целых чисел без их повторений: . Эффективная

длительность одиночного радиоимпульса

В главе проведена оптимизация параметров зондирующих сигналов и в частности выбор несущей частоты, а также использование возможностей МПРЛС совместно с использованием ДМЧС. Для наземных РЛС размеры антенн не столь существенны, поэтому для увеличения дальности обнаружения МЛА целесообразно увеличивать длину волны и использовать дециметровый или метровый диапазон волн. Показано, что при использовании МПРЛС увеличивается отношение сигнал /шум и способность обнаружения МЛА по сравнению с однопозиционной РЛС.

Во второй главе проведен синтез ДМЧС с почти идеальной ФН.

При обнаружении МЛА с малой ЭПР или когда присутствуют близко расположенные ЛА, имеющие значительный разброс ЭПР, то боковые лепестки сжатого сигнала от одного ЛА маскируют основной лепесток сигнала от МЛА или от другого малоразмерного ЛА, что может привести к пропуску слабого сигнала.

При выборе способа модулирования частоты ДМЧС можно воспользоваться частотно-временной перестановочной матрицей Костаса размерностью N х N, из которой сформированная треугольная матрица разностей не имела бы повторяющихся чисел ни в одной строке при сдвиге матрицы по координатным осям. Для этого необходимо образовать первую строку матрицы, взяв разности между соседними числами, причем так, чтобы все разности в этой строке не повторялись; составить вторую строку, взяв разности чисел, следующих через одну позицию, причем так, чтобы она также не имела повторяющихся чисел и т.д.

Для повышения энергетических возможностей РЛС и снижения УБЛ необходимо увеличивать размерность ДМЧС. Однако при большой размерности сигнала N определение с помощью ЭВМ матриц Костаса

является трудоемкой задачей. Кроме того, увеличение размерности сигнала N приводит к возрастанию трудностей технической реализации при формировании и обработке ДМЧС. Для преодоления указанных трудностей предлагается использовать системы ДМЧС (СДМЧС), а именно: последовательности ДМЧС (ПДМЧС) и дискретные составные частотные сигналы с частотной манипуляцией (ДСЧЧМ), представляющие составной сигнал, включающий в себя последовательность из Ь отдельных ДМЧС одинаковой размерности N, но отличающихся

порядком изменения дискретных числовых значений частоты.

ПДМЧС представляет собой периодическую последовательность ДМЧС. Полоса частот ПДМЧС = Д/" И, а длительность ПДМЧС Тс = ЬТ N. На рис. 1 представлена плоскость время-частота для ПДМЧС с размерностью N = 5 и количеством ДМЧС Ь = 5. ДСЧЧМ строится на основе исходного (ДМЧС с количеством Ь) и производящего (Ь ДМЧС размерностью N ) сигналов с использованием массивов Костаса. На рис. 2 представлена плоскость время-частота для ДСЧЧМ с размерностью Ы= 7 и количеством ДМЧС X = 5. Полоса частот ДСЧЧМ ^ = ШУ, а длительность Тс = ЬN1.

В главе рассмотрены вопросы формирования и оптимизации требуемой формы ФН ДМЧС для обеспечения высокой разрешающей способности по времени и частоте с низким УБЛ с использованием весовой обработки. Метод весовой обработки основан на взвешивании по амплитуде радиоимпульсов ДМЧС.

Комплексная огибающая ДМЧС может быть представлена в виде:

ОДНЛ

(2.1)

1>ЫТ,

где N— размерность ДМЧС, А„,/„и фя — значения амплитуды, частоты и начальной фазы соответственно;

В соответствии с (2.1) и считая, что <ря =0 ФН ДМЧС имеет вид

где Е— полная энергия сигнала Щ{); 11 *(0 — величина, сопряженная с V(().

Для упрощения расчетов удобно представить полное время запаздывания при котором интеграл для ДМС не равен нулю, в виде суммы дискретных и непрерывной составляющих: Переходя к дискретному времени и осуществляя замену перемещенных, после выполнения алгебраических преобразований фазовых множителей, на основе вычисления интеграла в (2.2), модуль ФН ДМЧС имеет вид:

(2.3)

Частотная весовая функция Ж(х) определена на нормированном интервале х=[-1, 1]. Алгоритм состоит в разбиении отрезка х = [-1, 1] на N-1 элементарных интервалов величиной значения весовой функции на

краях которых представляют собой веса дискретных компонент ДМЧС: А„ = Иг(х„), где х„ = + Весовая функция общего вида — функция коси-

нуса различной степени:

1¥(х) = р + (\-р)со*п{у2.х), (2.4)

где р = 0,..., 1 —уровень пьедестала весовой функции.

На рис. 3,а представлены значения частотной весовой функции W(x) для ДМЧС размерностью N = 10 и степени косинуса п = 1. Для этой числовой последовательности имеем

В соответствии с (2.3) и (2.4) на рис. 3,б представлено сечение |х(т>0)| тела ФН по задержке ДМЧС размерностью N= 10 с уровнем пьедесталар = 0,3 и различными значениями степени п. В результате анализа было показано, что наиболее предпочтительной является весовая функция с п = 1:

= (2.5)

На рис. 4,а и б представлены сечения и с уровнями пьедеста-

ла: р = 1; р = 0,6; р = 0,3, из которых видно, что с понижением р снижается УБЛ и расширяется главный лепесток по задержке, а по частоте повышается УБЛ в пределах одного дискрета и не изменяется ширина главного лепестка.

Для сравнения на рис. 5,а и б показаны сечения тела ФН по задержке

|х(т,0)| и частоте |х(0,/г)| для последовательности N = 10 и N = 30 ( N^ = 3, 9, 27,

19, 26, 16, 17, 20, 29, 25, 13, 8, 24, 10, 30, 28, 22, 4, 12, 5, 15, 14, 11, 2, 6, 18, 23, 7, 21, 1) при отсутствии весовой обработки, а на рис. 5,в и г — при весовой обработке с р = 0,3 для N= 10 ир = 0,2 для N = 30.

В) Рис. 5 г)

Из рисунков видно, что в случае N = 30 по задержке УБЛ также снижается и расширяется главный лепесток с понижением уровня пьедестала р весовой функции, а по частоте повышается УБЛ в пределах одного дискрета и не изменяется ширина главного лепестка. Увеличение размерности сигнала с 10 до 30 дает улучшение разрешающей способности и уменьшение УБЛ в области пьедестала в узловых точках тела неопределенности по задержке и частоте в 3 раза. Кроме того, имеется незначительное повышение боковых лепестков в окрестности главного лепестка по частоте.

На рис. 6,а и б показаны результаты расчета значения коэффициента расширения главного лепестка Кр(т), Кр(Б) и уровня первого бокового лепестка Упбл(т),Упбл(^) по задержке и частоте прир = 0,1 т1 С V =10 И N = 30.

Во второй главе рассмотрено также формирование ФН с использованием СДМЧС. Комплексная огибающая СДМЧС имеет вид

-гТ)+№м.,], (2.6)

где — период следования ДМЧС в СДМЧС, — амплитуды, часто-

ты и начальные фазы элементарных импульсов с индексами я, г;

С учетом того, что частотная полоса ПДМЧС и ДМЧС одинакова, то формирование весового массива ПДМЧС и ДМЧС могут быть одинаковы. Значения частотной весовой функции ПДМЧС:

(2-7)

где — элемент частотно-

временной матрицы, определяющий правило дискрета частоты -го ДМЧС, входящего в составной сигнал.

В случае применения ДСЧЧМ частотная полоса в Ь раз больше ДМЧС и значения частотной весовой функции определяются

где — элемент частотно-

временной матрицы исходного сигнала.

Весовая функция ПДМЧС и ДСЧЧМ также определяется формулой (2.5).

В соответствии с (2.2), (2.6), (2.7) для ПДМЧС и (2.8) для ДСЧЧМ

на рис. 7,а и б представлено сечение |х(0,^]| ПДМЧС и ДСЧЧМ при весовой обработке с различными уровнями пьедестала. Из рисунков видно, что как для ДМЧС, так и для ПДМЧС со снижением уровня пьедестала р повышаются несколько боковых лепестков в пределах одного дискрета по частоте и ширина главного лепестка не изменяется, а для ДСЧЧМ уровень первого бокового лепестка по частоте снижается с -13,3 дБ до -20,7 дБ со снижением/) с 1 до 0,6.

Для сравнения на рис. 7,в представлено сечение для ДМЧС и

ПДМЧС при отсутствии весовой обработки с Ы= 10, количествами ДМЧС X = 3, Ь = 5, а на рис. 7,г представлено сечение |х(0>^)| для ДМЧС, ПДМЧС и ДСЧЧМ при весовой обработке с уровнем пьедестала/? = 0,6. Из рисунков видно, что ширина главного лепестка по частоте и УБЛ в сечении при нулевой задержке тела ФН ПДМЧС и ДСЧЧМ снижаются Ь раз по сравнению с ДМЧС. Кроме того, при весовой обработке уровень первого бокового лепестка ДСЧЧМ снижается на 7,5 дБ по сравнению с ПДМЧС и на 10,4 дБ - с ДМЧС.

На рис. 8,а представлено сечение ФН ПДМЧС с уровнями пьеде-

стала: р= 1;р = 0,6; р = 0,3, а на рис. 8,6 — ДСЧЧМ ср = 1; р = 0,6. Отметим, что как и в случае ДМЧС, для ПДМЧС со снижением уровня пьедестала р при весовой обработке снижается уровень первого бокового лепестка по задержке и сопровождается расширением главного лепестка, а для ДСЧЧМ снижается уровень первого бокового лепестка по задержке с -13,3 дБ до -15 дБ со снижением р — с 1 до 0,6 и ширина главного лепестка не изменяется.

1Х(т 0)1 |Х(т 0)1

в) Рис.8 г)

Для сравнения на рис. 8,в представлено сечение для ДМЧС, ПДМЧС

и ДСЧЧМ при отсутствии весовой обработки с N = 10, Ь = 5 ( \г = 1, 3, 4, 2, 5), а на рис. 8,г — при весовой обработке с р = 0,6. Из рисунков следует, что для

ПДМЧС ширина главного лепестка по задержке и УБЛ в сечении при нулевой частоте ФН не изменяются по сравнению с ДМЧС, а для ДСЧЧМ в Ь раз снижаются по сравнению с ДМЧС. Кроме того, при весовой обработке для трёх сигналов снижается уровень первого бокового лепестка. Для ДМЧС и ПДМЧС увеличивается ширина главного лепестка, а для ДСЧЧМ — не изменяется.

Таблица 1

\Параметры Тип сигнала \ Уровеньпервого бокового лепестка, дБ УБЛ вобласти пьедесталавузловых точках телаФН, дБ Коэффициент расширения главного лепестка при весовой обработге(раэ) Нормированная разрешающая способность по задержкеи частоте

N=10 N=30 N=10 ЛГ=30 N=10 N=30 N=10 N=30

т 1 К т Т I т ? 5т Г У 6т Т 9Р ¿У

ДМЧС Без весовой обработай ■ 14 •1зз -из -из -20 -20 -293 -293 1 1 1 1 032 0,12 004 004

Вес.обраб. ср» 0,6 -237 -юз -210 -из -20 -20 -293 -293 1,3 1 и« 1 034 042 005 004

ПДМЧС ¿ = 5 Безвесовой обработай -13,7 -из -из -133 -34 -34 -433 -435 1 I 1 1 032 0Р24 004 ОР08

Вес.обраб. срш 0,6 -24 -1зг -210 -133 • 34 -3 4 -433 -433 1,3 1 и« 1 034 0р24 005 0р08

ДСЧЧМ ¿ = 5 Без весовой обработай -133 -133 -133 -135 -34 -3 4 -433 -435 1 1 1 1 0Р24 0(124 0Р08 0Р08

Вес.обраб. ср- 0,6 -15 -20,7 -15 -20? -34 -3 4 -433 -433 1,1 и 1.1 1.1 0Р24 0(124 01)08 0р08

С целью сравнительной оценки и оптимизации свойств ФН рассматриваемых сигналов по задержке и частоте был использован комплексный метод, включающий в себя следующие параметры: уровень первого бокового лепестка, УБЛ в области "пьедестала" в узловых точках ФН, коэффициент расширения главного лепестка при весовой обработке по нулевому уровню ФН, нормированную разрешающую способность по задержке и частоте 6ЯДГ по уровню 0,5 ФН. Результаты расчета при Ы= 10, Ы= 30, Ь = 5 представлены в табл. 1.

В третьей главе проведены синтез, анализ и моделирование на ЭВМ алгоритма и устройства обнаружения МЛА с использованием ДМЧС при наличии собственных шумов и воздействующих помех.

Показано, что при обработке ДМЧС целесообразно использовать структурную схему фильтровой обработки. Сжатие ДМЧС во временной области может быть достигнуто расфильтровыва-нием отдельных частотных компонент парциальных радиоимпульсов с помощью линий

задержки и когерентным объединением частотных каналов.

На рис. 9 представлено устройство обнаружения МЛА импульсной когерентной РЛС при использовании ДМЧС.

Это устройство содержит многоканальный по частоте управляемый фильтр сжатия, который построен на основе Л^ПОЛОСОВЫХ фильтров (ПФ), имеющих полосу пропускания Д/^ф = 1/Г. Сигналы с выхода ПФ поступают в блок весовой обработки (БВО). Блок задержек (БЗ) содержит (М- I) линий задержек с соответствующей задержкой. Между БВО и БЗ установлен управляемый коммутатор (УК). Двоичный управляющий код для УК вырабатывается цифровым блоком управления (ЦБУ) в соответствии с частотно-временной матрицей используемого сигнала, который позволяет обрабатывать любой ДМЧС и ПДМЧС с разными дискретами частоты и размерностью N меньшей или равной количеству ПФ Л'ф на одном фильтре сжатия (ФС). Сигналы с выхода линий задержек суммируются с помощью сумматора. Далее сигнал поступает в накопитель пачки (НП) импульсов. С выхода НП сигнал поступает на пороговое устройство (ПУ) и сравнивается с порогом , в результате которого выносится решение о наличии или отсутствии полезного сигнала.

На основе схемы рис. 9 было проведено моделирование процесса обработки ДМЧС в ФС на ЭВМ. Результаты моделирования CiV=10 и N = 30 представлены на рис. 10,а и б.

Результаты моделирования устройства показали, что полученный отклик модели ФС достаточно хорошо совпадает с телом ФН "кнопочного" вида ДМЧС и по времени выигрыш в пиковой мощности выходного импульса пропорционален базе сигнала. Чем больше размерность ДМЧС, тем ниже УБЛ в области пьедестала ФН.

а) Рис. 10 б)

В главе представлены результаты анализа помехоустойчивости устройства обработки ДМЧС (СДМЧС) при наличии собственных шумов и воздействующих помех с ограниченной мощностью: сосредоточенные шумовые, узкополосные и импульсные. Результаты показали, что отношение сигнал /шум (помеха) по мощности на выходе ФС для ДМЧС и СДМЧС возрастает по сравнению с отношением сигнал /шум (помеха) на его входе в 2В раза (В — база сигнала), что обеспечивает высокую помехозащищенность РЛС.

В главе проведена оценка эффективности обнаружения МЛА при наличии собственных шумов и воздействующих помех. В соответствии со схемой рис. 9 отношение сигнал/шум (помеха) по мощности на входе ПУ (выходе НП) для ДМЧС (СДМЧС):

9/ш(пГ™ д/ш(4шФС

(3.1)

где п — число импульсов в пачке, v — общий коэффициент потерь обнаружителя, включающий в себя составляющие потери в приемном тракте и потери рассогласования при весовой обработке.

В соответствии с (3.1) и предполагая, что спектр воздействующих помех равномерен в полосе пропускания ФС на рис. 11,а представлена зависимость вероятности правильного обнаружения Б детерминированного сигнала (А) и сигнала со случайными начальной фазой и амплитудой (Б) от отношения сигнал

/шум (помеха) на входе ФС ДМЧС с размерностями Ы= 10, Ы= 20,

N = 30, вероятностью ложной тревоги Ж= 10"6, некогерентным накоплением числа импульса в пачке п = 16, уровнем пьедестала весовой функции р = 0,6, а на рис. 11,6 — для ДМЧС, ПДМЧС и ДСЧЧМ с N = 10 и количеством ДМЧС Ь = 5. Видно, что с увеличением N и для СДМЧС возрастает вероятность Б.

Для обнаружения сигнала со случайными амплитудой и начальной фазой требуется значительно большее отношение сигнал /шум (помеха) на входе ФС, чем для обнаружения детерминированного сигнала (для большой D). При фиксированных N и L вероятности D ДСЧЧМ и ПДМЧС увеличиваются по сравнению с ДМЧС.

На рис. 12,а и б представлены результаты расчета относительной дальности обнаружения при наличии шумов и помех для различных размерно-

стей NДМЧС и СДМЧС, где Лош(п)— дальность обнаружения для простого сигнала (база В = 1).

Показано, что с увеличением N дальность обнаружения МЛА возрастает, а при фиксированных N и L дальность обнаружения МЛА СДМЧС увеличивается по сравнению с ДМЧС, т. е. СДМЧС обеспечивает достижение требуемого отношения сигнал /шум (помеха) на выходе обнаружителя. При воздействии помех с ограниченной мощностью увеличение ширины спектра сигнала F приводит к уменьшению спектральной плотности мощности (СПМ) помехи. Это является причиной повышения дальности обнаружения МЛА с увеличением /V по сравнению со случаем собственного шума, который имеет СПМ = const. Это повышение подтверждает целесообразность использования ДМЧС (СДМЧС) для повышения помехозащищенности РЛС при обнаружении МЛА.

D

D

Рис.11

Как показал анализ в главе 1 для выбора рабочей частоты, если площадь антенны изменяется при изменении длины волны, определена зависимость дальности обнаружения МЛА от размерности N и длины волны при наличии шумов

для где

— дальность обнаружения МЛА с длиной волны ХоДЛЯ простого сигнала (В = 1). На рис. 12,в показана зависимость относительной дальности обнаружения (при длине волны = 10см) от

длины волны. Показано, что с увеличением длины волны от 0,1м до 2м относительная дальность обнаружения увеличивается от 1,5 до 6,7 раза для размерности сигнала N= 5, и от 2,3 до 10,5 раза для N = 30 соответственно.

В главе представлены оценки надежности обнаружения МЛА с использованием МПРЛС. При обнаружении детерминированного сигнала и флуктуирующего сигнала в пространственно-когерентной активной МПРЛС характеристики обнаружения аналогичны характеристикам обнаружения однопо-зиционной РЛС, но отношение сигнал /шум по мощности на выходе МПРЛС равно сумме отношений сигнал /шум на выходах всех М приемных позиций

^вых = Х^вых/ » гДе Явых.1 — "частное" отношение сигнал /шум по мощности

на выходе обнаружителя г'-й позиции. Таким образом, когда мощности сигнала на входах ФС равны и СПМ шума одинаковы, отношение сигнал /шум по

мощности на выходе обнаружителя МПРЛС с использованием ДМЧС при наличии собственного шума

?вш ^^вихнп, =2Вт1?}ш™ =2ВтМ^ ' (З-2)

В соответствии с (3.2) для ДМЧС определена зависимость дальности обнаружения МЛА от размерности Ы, длины волны X и количества приемных позиций М при наличии собственного шума , где — дальность обнаружения МЛА с длиной волны при использовании простого сигнала (В=1) для однопозиционной РЛС.

На рис. 13,а представлены результаты расчета вероятности Б детерминированного и квазидетерминированного сигналов на этапе первичной обработки

МПРЛС от отношения сигнал /шум на входе ФС вх одной позиции. С увеличением количества приемных позиций Мувеличиваются вероятность Б.

На рис. 13,6 показана зависимость относительной дальности обнаружения МЛА ЛшШ^Ош*. МПРЛС при наличии собственного шума (в длине волны Ь> = 10см) от длины волны сигнала с К= 10 и количеством приемных позиции М= 1, М= 3, М= 5. Показано, что при N =10 с увеличением длины волны от 0,1м до 2м относительная дальность обнаружения МПРЛС для М=3 увеличивается от 2,3 до 10,5 раза, для М= 5 — от 2,6 до 11,9 раза.

10, /г / у .

е=ш? / / и-16, 1 , Р- 0,6 / // /и .—

/ / к

— ■ М Ч — м -э -М -3

Я^м/И,-:

а)

ш

Рис.

- М - 1 ....

-М

Л-а» ОЛм ы = ю ^ —

/у ^^

У

13

б)

В четвертой главе предложена схема устройства обнаружения МЛА и рассмотрены вопросы обнаружения МЛА при наличии пассивных помех.

В структурную схему устройства обнаружения рис. 9 для подавления пассивных помех включена квазиоптимальная цифровая система селекции движущихся целей (СДЦ).

В главе проведен расчет отношения сигнал / помеха по мощности на выходе устройства, анализ эффективности устройства подавления пассивных помех системы СДЦ, а также проведено моделирование устройства подавления.

Определено отношение сигнал /помеха по мощности на выходе ФС

'^выхФС

-2ЛГэ^свхФС

ТА/у

э пвхФС '

'пвхФС

Для случая ДМЧС при М= Д/Г= \,N} = N

<7%выхФС = 2^свхФС7№,вхФС Для случая ПДМЧС при М= Д/Г= 1, Агэ =

2=21№СйхФСТ#/РпъхФС = 21Мд2

Для случая ДСЧЧМ приЛ/= Д/Г= 1,ЛГЭ = 1Л:

" выхфс=2ш/,свхфДОпвхфс =

%>ыхФС~

У*

где

Уп-'

(4.1)

(4.2)

(4.3)

(4.4)

— отношение сигнал / помеха по мощности на вхо-

де ФС, — количество накапливаемых элементарных импульсов сигнала, — модуль коэффициента передачи элементарного согласованного фильтра. Отношение сигнал /пассивная помеха по мощности на выходе НП:

^выхНП '

выхФС У

Ку ИУ,

(4.5)

где п — число импульсов в пачке, v — общий коэффициент потерь, Ку — коэффициент улучшения отношения сигнал /помеха на выходе системы СДЦ.

Был проведен анализ эффективности системы СДЦ на основе расчета коэффициента Для оценки влияния спектрально-корреляционных характеристик помех и числа разрядов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на эффективность компенсации коррелированных помех системы СДЦ было также проведено статистическое моделирование устройства подавления на ЭВМ. Результаты расчета и моделирования подтверждают, что при росте коэффициента р и увеличении числа разрядов АЦП увеличивается

В главе проведен анализ эффективности обнаружения МЛА при наличии пассивных помех на основе расчета характеристик обнаружения и дальности обнаружения.

На рис. 14,а представлены результаты расчета вероятностей правильного обнаружения Б для ДМЧС при различных аппроксимациях спектра помехи, а на рис. 14,б — с различными спектрально-корреляционными характеристиками помехи.

а) Рис. 14

Показано, что вероятность D увеличивается при гауссовской аппроксимации по сравнению с резонансной и уменьшении ширины спектра помехи Д fn.

На рис. 15,а представлены зависимости D от ?^пвхдля ДМЧС с N = 10,

N =30 при гауссовской аппроксимации с ДfnTn = 0,05, а на рис. 15,б — для ДМЧС, СДМЧС с N = 10, L = 5. Видно, что увеличивается вероятность D при увеличении размерности N и использовании СДМЧС по сравнению с ДМЧС.

■) Рис. 15

На рис. 16 показаны результаты расчета Б для ДМЧС с использованием различных цифровых режекторных фильтров (ЦРФ) при резонансной аппроксима-

ции. Следует отметить, что при использовании рекурсивного ЦРФ второго порядка увеличивается вероятность Б по сравнению со схемами череспериодной компенсации (ЧПК) различной кратности.

В соответствии с (4.2) + (4.5) с учетом Ку на выходе ЦРФ можно определить дальность обнаружения МЛА при наличии пассивных помех для ДМЧС: Яп

и для СДМЧС: Япп = ^Опп^^ , где Яопп — дальность обнаружения для простого сигнала (5 = 1).

Для сравнения различных ЦРФ систем СДЦ при использовании ДМЧС определяется дальность обнаружения

Яппф -

Оппп

т-

^у ЦРФ

АГ„

, где Лоппф-

Рис. 16

>-уЧПК-1

дальность обнаружения для простого сигнала с использованием ЧПК-1.

На рис.17,а и б представлены результаты расчета относительной дальности обнаружения Лщ/^Опп для различных размерностей #ДМЧС, СДМЧС и ■Йппф/Лоппф с использованием различных ЦРФ при резонансной аппроксимации при д/„Т„ = 0,05. Показано, что относительная дальность обнаружения возрастает с увеличением М при использовании СДМЧС и рекурсивных ЦРФ.

■) Рис. 17

В заключении сформулированы основные результаты диссертации. В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Рассмотрены перспективные пути повышения надежности обнаружения МЛА и проведен анализ их возможностей. На основании проведенного анализа для эффективного обнаружения МЛА предложено комплексирование обнаружителей при совместном использовании ДМЧС и СДМЧС, оптимизации выбора рабочей частоты и возможностей МПРЛС.

2. Предложен алгоритм синтеза ДМЧС (СДМЧС) на основе частотно-временной матрицы с использованием массивов Костаса, который обеспечивает низкий УБЛ ФН и высокую разрешающую способность по задержке и частоте.

3. Для оптимизации параметров ФН предложено использовать весовую обработку парциальных импульсов ДМЧС (СДМЧС) и показано, что на основе частотной весовой функции со значением степени п = 1 с увеличением размерности ДМЧС или использованием СДМЧС обеспечивается значительное снижение ши-

рины главного лепестка и УБЛ в области пьедестала тела ФН по задержке и частоте, что позволяет повысить надежность обнаружения слабых сигналов в каналах дальности и скорости при высокой разрешающей способности по задержке и частоте.

4. Показано, что использование СДМЧС может обеспечить требуемые качественные показатели ФН при меньшей размерности ДМЧС, входящих в составной сигнал, по сравнению с необходимостью увеличения размерности сигнала при использовании отдельного ДМЧС для достижения аналогичного вида ФН. При этом появляется возможность упрощения устройств формирования радиолокационных сигналов за счет уменьшения используемого набора частот.

5. Проведена оценка энергетических возможностей РЛС при наличии собственных шумов, воздействии некоторых видов помех с ограниченной мощностью и использовании ДМЧС и СДМЧС. Результаты показали, что отношение сигнал / шум (помеха) по мощности на выходе ФС возрастает по сравнению с отношением сигнал / шум (помеха) на его входе в 25 раза, что обеспечивает высокую помехозащищенность РЛС при использовании различных ДМЧС. При этом вероятность правильного обнаружения Б и дальность обнаружения МЛА возрастают при увеличении размерности сигнала И, использовании СДМЧС по сравнению с ДМЧС, увеличении длины волны зондирующего сигнала и количества приемных позиций МПРЛС.

6. Показано, что использование ДМЧС и СДМЧС позволяет обеспечить надежное обнаружение и увеличить дальность обнаружения МЛА при наличии пассивных помех с применением цифровых систем СДЦ. При этом вероятность правильного обнаружения Б и дальность обнаружения МЛА возрастает при увеличении размерности ДМЧС или использовании СДМЧС.

7. Предложенные схемы формирования и обработки ДМЧС и СДМЧС, а также схемы устройства обнаружения МЛА могут быть реализованы с использованием современной цифровой и вычислительной техники при цифровой обработке сигналов.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Плёкин В. Я., Нгуен Тхань Хынг. Анализ возможности повышения дальности и надежности радиолокационного обнаружения малозаметных летательных аппаратов //Доклад на 5-й международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение». - Москва, 2003. -ТА.-С. 189-191.

2. Плёкин В. Я., Нгуен Тхань Хынг. Формирование функции неопределенности дискретно-кодированных по частоте сигналов с заданными свойствами // Радиоэлектроника. - 2004. - № 1. - С. 3 -11. (Изв. высш. учеб. заведений).

3. Плёкин В. Я., Нгуен Тхань Хынг. Оценка эффективности обнаружения дискретно-кодированных по частоте сигналов при наличии шумов и помех // Методы и устройства передачи и обработки информации: Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 4. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2004. - С. 89 - 98.

4. Плёкин В. Я., Нгуен Тхань Хынг. Обнаружение малозаметных летательных аппаратов при наличии шума и активной помехи // Методы и устройства передачи и обработки информации: Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 5. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2004. - С. 118 -124.

5. Плёкин В. Я., Нгуен Тхань Хынг. Анализ эффективности обнаружения дискретно-кодированных по частоте сигналов при наличии пассивных помех // Радиоэлектроника. - 2004. - № 11. - С. 21 - 30. (Изв. высш. учеб. заведений).

6. Плёкин В. Я., Нгуен Тхань Хынг. Моделирование алгоритмов и устройств обработки дискретно-кодированных по частоте сигналов при наличии коррелированных помех // Методы и устройства передачи и обработки информации: Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 5. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2004.-С. 125-133.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЦП - Аналого-цифровой преобразователь.

БВО - Блок весовой обработки.

БЗ - Блок задержек.

ДСЧЧМ - Дискретный составной частотный сигнал с частотной манипуляцией.

ДМЧС - Дискретно-модулированный по частоте сигнал.

МЛА - Малозаметный летательный аппарат.

МПРЛС - Многопозиционная радиолокационная станция.

НП - Накопитель пачки.

пдмчс - Последовательность дискретно-модулированного по частоте сигнала.

ПУ - Пороговое устройство.

ПФ - Полосовой фильтр.

РЛЗ - Радиолокационная заметность.

РЛС - Радиолокационная станция.

сдмчс - Система дискретно-модулированных по частоте сигналов.

сдц - Селекция движущихся целей.

СПМ - Спектральная плотность мощности.

УБЛ - Уровень боковых лепестков.

УК - Управляемый коммутатор.

ФН - Функция неопределенности.

ФС - Фильтр сжатия.

ЦБУ - Цифровой блок управления.

ЦРФ - Цифровой режекторный фильтр.

чпк - Череспериодная компенсация.

ЭПР - Эффективная площадь рассеяния.

1150

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ ПУТЕЙ И ВЫБОР МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОЗАМЕТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ.

1.1. Основные причины уменьшения радиолокационной заметности летательных аппаратов.

1.1.1. Использование способов уменьшения эффективной площади рассеяния.

1.1.2. Совместное действие снижения эффективной площади рассеяния и воздействующих помех.

1.2. Пути повышения эффективности обнаружения малозаметных летательных аппаратов.

1.2.1. Повышение энергетического потенциала РЛС.

1.2.2. Выбор диапазона рабочих частот.

1.2.3. Использование эффекта "нелинейной радиолокации".

1.2.4. Повышение качества обработки радиолокационных сигналов.

1.2.5. Применение многопозиционных РЛС (МПРЛС).

1.2.6. Использование несинусоидальных сигналов.

1.2.7. Использование зондирующих сигналов согласованных с формой целей.

1.2.8. Применение РЛС космического базирования и бортовой РЛС.

1.2.9. Применение РЛС с многочастотными сигналами.

1.2.10. Использование метода инверсной синтезированной апертуры (ИСА).

1.3. Выбор методов обнаружения малозаметных летательных аппаратов.

1.4. Выводы к главе 1.

Глава 2. ФОРМИРОВАНИЕ ФУНКЦИИ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

ДМЧС И СДМЧС С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ.

2.1. Синтез ДМЧС с почти идеальной функцией неопределенности.

2.2. Формирование ФН ДМЧС с заданными свойствами.

2.3. Формирование ФН с использованием СДМЧС.

2.4. Выводы к главе 2.

Глава 3. ОБНАРУЖЕНИЕ МАЛОЗАМЕТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ

АППАРАТОВ ПРИ НАЛИЧИИ СОБСТВЕННЫХ ШУМОВ И ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ ПОМЕХ.

3.1. Синтез и анализ алгоритмов и устройств обнаружения МЛА при наличии собственных шумов и воздействующих помех.

3.2. Моделирование устройства обработки ДМЧС на ЭВМ.

3.3. Анализ эффективности обнаружения МЛА при наличии собственных шумов и воздействующих помех.

3.3.1. Анализ помехоустойчивости устройства обработки ДМЧС (СДМЧС) при наличии собственных шумов и воздействующих помех.

3.3.2. Оценка эффективности обнаружения МЛА при наличии собственных шумов и воздействующих помех.

3.4. Оценка возможности обнаружения МЛА с использованием многопозиционных РЛС.

3.5. Выводы к главе 3.

Глава 4. ОБНАРУЖЕНИЕ МАЛОЗАМЕТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ

АППАРАТОВ ПРИ НАЛИЧИИ ПАССИВНЫХ ПОМЕХ.

4.1. Синтез устройств обнаружения МЛА при наличии пассивных помех.

4.2. Оценка эффективности устройства обнаружения МЛА при наличии пассивных помех.

4.2.1. Расчет энергетических характеристик устройства обнаружения МЛА.

4.2.2. Оценка эффективности устройства подавления пассивных помех.

4.3. Анализ эффективности обнаружения при наличии пассивных помех.

4.4. Выводы к главе 4.

С развитием транспортной и технической авиации значительно возрастает число летательных аппаратов (ЛА). В том числе имеется несколько видов малозаметных ЛА (МЛА): спортивные и малоразмерные самолёты, планёры и т. д. Кроме того, анализ зарубежной научно-технической и патентной литературы, рекламных сообщений, а также работ, отражающих опыт разработки и создания новой авиационной техники, показывает, что в настоящее время одной из отраслей современной авиационной промышленности является создание МЛА. Снижение заметности в радио-, оптическом и акустическом диапазонах будет уменьшать вероятность обнаружения ЛА средствами контроля воздушного движения и, следовательно, уменьшается способность предупреждения столкновений и обеспечение авиационной безопасности. В существующих системах предупреждения столкновений и контроля воздушного движения основным средством обнаружения ЛА на больших дальностях является радиолокационная станция (РЛС). Поэтому для МЛА первостепенное внимание уделяется снижению радиолокационной заметности (РЛЗ), предопределяющее существенное уменьшение эффективной площади рассеяния (ЭПР) ЛА в направлении облучения, т. е. снижение энергии, переизлучаемой в направлении прихода облучающего сигнала. Это уменьшение может быть основано на устранении явлений уголковых отражений и увеличении энергии, переизлучаемой в других направлениях за счет формы аэродинамики, уменьшении размера и совершенствования конструкции, материалов изготовления МЛА. Таким образом, указанные причины приводят к уменьшению дальности и надежности обнаружения МЛА, а при наличии шумов и интенсивных помех практически к невозможности их обнаружения.

Все это обусловило широкий фронт исследований как в России, так за рубежом, направленных на поиск способов и возможных путей повышения надежности обнаружения МЛА. Приведенный перечень задач на сегодня в значительной мере определяет перспективные направления развития радиолокации МЛА. Особенно следует отметить, что большое влияние на развитие радиолокационных средств и авиационной техники для обнаружения МЛА оказало создание технологии снижения РЛЗ ЛА [1— 6, 55, 56]. Это приводит к существенному уменьшению дальности действия существующих средств обнаружения, слежения и классификации ЛА систем предупреждения столкновений и контроля воздушного движения, что, в свою очередь, влечет за собой необходимость создания нового поколения РЛС, имеющих характеристики, позволяющие надежно обнаруживать МЛА в условиях наличия шумов и воздействующих помех [3].

Более эффективны приёмы борьбы со снижением РЛЗ, основанные на использовании его основных недостатков: зависимости ЭПР от положения МЛА и рабочей частоты РЛС, частотной узкополосности и незначительности секторов, в пределах которых обшивка ЛА устраняет эффект уголкового отражения.

Совершенствование технологий создания новой элементной базы, вычислительных средств, способов обработки сложных сигналов, достижения и успехи в области моделирования электродинамических и электрических процессов, использование широкополосных и сверхширокополосных сигналов, принципов прямого и обратного синтезирования апертуры, мультистатиче-ских принципов наблюдения позволили вплотную приблизиться к решению такой проблемы, как обнаружение — распознавание малозаметных, слабоконтрастных объектов при их наблюдении в сложных (природных и техногенных) условиях.

С учетом выше изложенного можно сформулировать основные цели и задачи диссертационной работы.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является исследование методов обнаружения МЛА при наличии шумов и помех. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе рассмотрены и решены следующие задачи:

• анализ причин снижения РЛЗ МЛА и путей повышения эффективности обнаружения МЛА, определение их достоинств и недостатков;

• выбор перспективных методов обнаружения МЛА при наличии шумов и помех;

• на основе анализа возможностей применения различных широкополосных зондирующих сигналов предложено использовать дискретно-модулированные по частоте сигналы (ДМЧС) и системы ДМЧС (СДМЧС), позволяющие повысить энергетические характеристики РЛС и обеспечить высокую разрешающую способность по задержке и частоте;

• синтез алгоритма формирования функции неопределенности (ФН) ДМЧС и СДМЧС с заданными свойствами;

• анализ алгоритма формирования ФН;

• разработка и моделирование алгоритмов и устройств обнаружения МЛА при наличии шумов и помех;

• расчет характеристик обнаружения и дальности обнаружения МЛА при наличии шумов и помех;

Методы исследования Методы математического синтеза и анализа и методы статистического расчета и моделирования на ЭВМ.

Цифровые методы обработки сигналов и методы цифрового моделирования случайных процессов.

Научная новизна работы

• Для повышения энергетических возможностей РЛС и надежности обнаружения МЛА предложено использовать в качестве зондирующих сигналов широкополосные ДМЧС и системы ДМЧС.

• Получены алгоритмы синтеза ДМЧС и СДМЧС и проведен расчет и анализ алгоритмов формирования ФН ДМЧС и СДМЧС.

• Предложен комплексный критерий оптимизации параметров ДМЧС и СДМЧС для формирования ФН с заданными свойствами, обеспечивающими низкий УБЛ и высокую разрешающую способность по задержке и частоте.

• Предложены алгоритм и устройство обнаружения МЛА при наличии шумов и помех.

• Получены результаты анализа надежности обнаружения МЛА при наличии шумов и помех на основе расчета характеристик обнаружения и дальности обнаружения МЛА.

Практическая значимость результатов работы

• Разработана математическая модель и методика оптимизации параметров и формирования ФН ДМЧС и СДМЧС с заданными свойствами.

• Предложена схема устройства оптимального обнаружения МЛА при наличии шумов и помех.

• Разработаны алгоритм, программа моделирования и расчета ФН ДМЧС и СДМЧС, критерии качества устройства оптимального обнаружения, рассчитаны характеристики обнаружения и дальность обнаружения МЛА при наличии шумов и помех.

• Даны рекомендации по комплексированию различных обнаружителей для повышения надежности обнаружения МЛА.

Основные положения, выносимые на защиту

• Использование широкополосных ДМЧС и СДМЧС позволяет повысить энергетические возможности РЛС, надежность и дальность обнаружения

МЛА и обеспечить высокую разрешающую способность по задержке и частоте.

• Предложенный алгоритм формирования ДМЧС и СДМЧС с использованием весовой обработки парциальных импульсов позволяет оптимизировать параметры ФН и обеспечить заданные свойства ФН при обнаружении МЛА.

• Предложен алгоритм и устройство обнаружения МЛА, позволяющий повысить дальность и надежность обнаружения МЛА при наличии шумов и помех.

• Проведенный анализ и расчет характеристик обнаружения и дальности обнаружения МЛА, показал высокую надежность обнаружения при наличии шумов и помех, за счет использования предложенных широкополосных ДМЧС и СДМЧС, оптимизации несущей частоты зондирующих сигналов и использования возможностей многопозиционной РЛС.

Апробация результатов работы и публикации

Основные положения и результаты работы опубликованы в 5 статьях в журнале " Изв. Вузов. Радиоэлектроника" и Межвузовском сборнике научных трудов "Методы и устройства передачи и обработки информации" (СПб.: "Гидрометеоиздат"), и опубликованном докладе на 5-ой международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение» (Москва, 2003).

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 130 страниц, 60 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 82 наименования.

4. 4. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

В данной главе была предложена схема устройства обнаружения МЛА при наличии пассивных помех с использованием ДМЧС или СДМЧС.

Проведена оценка эффективности предложенного устройства обнаружения при наличии пассивных помех и проведен расчет отношения сигнал/ помеха по мощности на выходе устройства, анализ эффективности устройства подавления пассивных помех системы СДЦ с помощью расчета коэффициента подавления Кп и коэффициента улучшения Ку , а также проведено моделирование устройства подавления. Полученные результаты показали, что эффективность устройства обработки ДМЧС (СДМЧС) при наличии пассивных помех зависит от размерности ДМЧС (СДМЧС), числа разрядности АЦП, коэффициента междупериодной корреляции помехи, спектрально-корреляционных свойств помехи, параметров и порядка ЦРФ.

Проведен анализ эффективности обнаружения МЛА при наличии пассивных помех на основе расчета характеристики обнаружения и относительной дальности обнаружения для различных размерностей сигнала, спектрально-корреляционных свойств помехи и различных ЦРФ системы СДЦ. Полученные результаты показали, что вероятность правильного обнаружения Л и относительная дальность обнаружения МЛА увеличиваются при гаус-совской аппроксимации спектра помехи по сравнению с резонансной, при использовании рекурсивного ЦРФ второго порядка по сравнению с нерекурсивными ЦРФ (ЧПК), при увеличением коэффициента междупериодной корреляции помехи, при увеличении размерности N ДМЧС и при сравнении СДМЧС для ДМЧС с фиксированной размерностью N.

Таким образом, показано, что использование предложенных сигналов (ДМЧС и СДМЧС) позволяет обеспечить надежное обнаружение МЛА и увеличить дальность обнаружения при наличии коррелированных помех с применением цифровых систем СДЦ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе рассмотрены и проанализированы возможные пути повышения возможности обнаружения МЛА, на основе чего выбраны наиболее перспективные методы обнаружения МЛА. Для повышения энергетических характеристик РЛС и надежности обнаружения МЛА предложено использовать в качестве зондирующих сигналов ДМЧС и СДМЧС. Проведены синтез алгоритма формирования ДМЧС и СДМЧС, расчет и анализ ФН ДМЧС и СДМЧС с заданными свойствами при весовой обработке. Разработаны и предложены схемы и устройства обнаружения МЛА и проведен расчёт и анализ надежности обнаружения МЛА при наличии собственных шумов и воздействующих помех. Для повышения надежности и дальности обнаружения МЛА рассмотрена возможность использования многопозиционных РЛС (МПРЛС) с комплексированием обнаружителей МЛА.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Рассмотрены перспективные пути повышения надежности обнаружения МЛА и проведен анализ их возможностей. На основании проведенного анализа для эффективного обнаружения МЛА предложено комплексирование обнаружителей при совместном использовании широкополосных ДМЧС и СДМЧС, оптимизации выбора рабочей частоты и возможностей МПРЛС.

2. Предложен алгоритм синтеза ДМЧС (СДМЧС) на основе использования частотно-временной матрицы Костаса, который обеспечивает низкий УБЛ ФН и высокую разрешающую способность по задержке и частоте.

3. Для оптимизации параметров ФН предложено использовать весовую обработку парциальных импульсов ДМЧС и показано, что при весовой обработке на основе частотной весовой функции со значением степени п = 1с увеличением размерности ДМЧС или применения СДМЧС обеспечивается значительное снижение ширины главного лепестка и УБЛ в области пьедестала тела ФН по задержке и частоте, что позволяет повысить надежность обнаружения слабых сигналов в каналах дальности и скорости при высокой разрешающей способности по задержке и частоте.

4. Показано, что использование СДМЧС может обеспечить требуемые качественные показатели ФН при меньшей размерности ДМЧС, входящих в составной сигнал, по сравнению с необходимостью увеличения размерности кода при использовании отдельного ДМЧС для достижения аналогичного вида ФН. При этом появляется возможность упрощения устройств формирования радиолокационных сигналов за счет уменьшения используемого набора частот.

В частности для ДМЧС размерности N = 10 с понижением уровня пьедестала частотной весовой функции р с 1 до 0,3 снижается уровень первого бокового лепестка с - 14 дБ до - 32 дБ по задержке и увеличивается на 5,3 дБ по частоте, а для ТУ = 30 с понижениемр с 1 до 0,2 снижается уровень первого бокового лепестка с - 13,5 дБ до - 33 дБ по задержке и увеличивается на 3,3 дБ по частоте. При этом также происходит расширение главного лепестка ФН по задержке в 1,7 раза, а по частоте не изменяется. При размерности сигнала 30 снижается ширина главного лепестка ФН по частоте и задержке в 3 раза по сравнению с N = 10. Использование ПДМЧС на основе Ь ДМЧС размерности N при весовой обработке позволяет снизить ширину главного лепестка по частоте и УБЛ в сечении при нулевой задержке тела ФН в Ь раз по сравнению с ДМЧС размерности ТУ, а по задержке не изменяется по сравнению с ДМЧС. При использовании ДСЧЧМ снижаются ширина главного лепестка по частоте и задержке и УБЛ в сечении при нулевой частоте и задержке в Ь раз по сравнению с ДМЧС. Кроме того, также значительно снижается первый боковой лепесток по частоте, при р = 0,6 снижается на 7,5 дБ по сравнению с ПДМЧС и на 10,4 дБ — по сравнению с ДМЧС.

5. Проведена оценка энергетических возможностей РЛС при воздействии некоторых видов помех и использовании ДМЧС и СДМЧС, получены формулы для вычисления отношения сигнал /шум (помеха) по мощности на выходе ФС при наличии собственных шумов и воздействующих помех с ограниченной мощностью. Результаты показали, что отношение сигнал / шум (помеха) по мощности на выходе ФС для ДМЧС и СДМЧС возрастает по сравнению с отношением сигнал / шум (помеха) на его входе в 2В раз, что обеспечивает высокую помехозащищенность РЛС при использовании различных ДМЧС. При этом вероятность правильного обнаружения О и дальность обнаружения МЛА возрастают с увеличением размерности сигнала Ы, а также при использовании СДМЧС по сравнению с ДМЧС, при увеличении длины волны зондирующего сигнала X и количества приемных позиций МПРЛС.

6. Показано, что использование ДМЧС и СДМЧС позволяет обеспечить надежное обнаружение МЛА и дальность обнаружения при наличии коррелированных помех с применением цифровых систем СДЦ. При этом вероятность правильного обнаружения И и дальность обнаружения МЛА увеличиваются при увеличении размерности ДМЧС и СДМЧС. Проведенное моделирование на ЭВМ алгоритмов обнаружения МЛА при наличии коррелированных помех подтвердило хорошее совпадение результатов моделирования с результатами аналитических расчетов.

7. Предложенные схемы формирования и обработки ДМЧС и СДМЧС, а также схемы и устройства обнаружения МЛА могут быть реализованы с использованием современной цифровой и вычислительной техники при цифровой обработке сигналов.

Полученные результаты опубликованы в пяти статьях и доложены на одной международной научно-технической конференции.

1. Плёкин В. Я., Нгуен Тхань Хынг. Формирование функции неопределенности дискретно-кодированных по частоте сигналов с заданными свойствами // Радиоэлектроника. — 2004. — № 1. — С. 3 11. (Изв. высш. учеб. заведений).

2. Плёкин В. Я., Нгуен Тхань Хынг. Анализ эффективности обнаружения дискретно-кодированных по частоте сигналов при наличии пассивных помех // Радиоэлектроника. — 2004. — № 11. — С. 21 30. (Изв. высш. учеб. заведений).

3. Канащенков А. И., Меркулов В. И., Самарин О. Ф. Облик перспективных бортовых радиолокационных систем. Возможности и ограничения. — М.: "ИПРЖР", 2002.

4. Радиоэлектронные системы: основы построения и теория. Ширман Я. Д., Лосев Ю. И., Минервин Н. Н. и др.; Под ред. Ширман Я. Д. М.: ЗАО "МАКВИС", 1998.

5. Саблин В. Н., Шапошников В. И. Вопросы создания и применения радиолокационных средств нового поколения. Радиотехника, 1995, №11.

6. Информационные технологии в радиотехнических системах: Учебное пособие. Под ред. И. Б. Федорова. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003.

7. Бочкарев А. М., Долгов М. И. Радиолокация малозаметных летательных аппаратов. — Зарубежная радиоэлектроника, 1989, № 2.

8. Цветное В. В., Демин В. П., Куприянов А. И. Радиоэлектронная борьба: радиомаскировка и помехозащита. — М.: Изд-во МАИ, 1999.

9. Быков В. В. Возможности современных PJIC в условиях совместного применения способов типа "Стеле" и активных шумовых помех. — Радиотехника, 1992, № 1-2.

10. Бакулев П. А., Сосновский А. А. Радиолокационные и радионавигационные системы: Учебное пособие. — М.: "Радио и связь", 1994.

11. Справочник по радиолокации: Пер. с англ. Под ред. С. Сколника. М.: "Сов. радио", 1976, т. 1.

12. Bill Sweetman. And now, the stealth defeating radar. - Interavia, 1987, v. 42, № 4.

13. By Zhao Chengmou. As the Chinese see military radar. Signal, 1987, v. 41, № 8.

14. Henning F. Harmuth. On the effect of absorbing materials on electromagnetic waves with large relative bandwidth. IEEE Trans., 1983, v. EMC-25, № 1.

15. Андреев Г. А., Потапов А. А. Миллиметровые волны в радиолокации. -Зарубежная радиоэлектроника, 1984, №11.

16. Вернигоров Н. С. Процесс нелинейного преобразования и рассеяния электромагнитного поля электрически нелинейными объектами. Радиотехника и электроника, 1997, т. 42, № 10.

17. Сергеев В. И. Принцип радиолокационного обнаружение MJIA с использованием нелинейного эффекта поглощения электромагнитных волн. Диссертация в форме научного доклада, 1996.

18. Черняк В. С. Многопозиционная радиолокация. — М.: "Радио и связь", 1993.

19. Glaser J. I. Bistatistic Radars Hold Promise for Future Systems. — Microwave Systems News, 1984, v. 14, № 11.

20. Перспективы применения сверхширокополосной радиолокации. Радиоэлектроника за рубежом - экспресс - информация. Выпуск 1, 1999.

21. Хармут X. Ф. Несинусоидальные волныв радиолокации и связи. — М.: "Радио и связь", 1985.

22. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. -М.: "Радио и связь", 1989.

23. Иммореев И. Я. Сверхширокополосная радиолокация: основные особенности и отличия от традиционной радиолокации. Электромагнитные волны и электроны системы, 1997, т. 2, № 1.

24. Henning F. Harmuth. Radiation of nonsinusoidal waves by a large-current radiator. IEEE Trans., 1985, v. EMC-27, № 2.

25. Nasser J. Mohamed. Two dimensional beamforming with nonsinusoidal signals. - IEEE Trans., 1987, v. EMC-29, № 4.

26. Борзов А. Б., Быстров P. П., Дмитриев В. Г., Засовин Э. А. и др. Радиолокационные системы: научно-технические достижения и проблемы развития техники миллиметрового диапазона радиоволн. Зарубежная радиоэлектроника, 2001, № 5.

27. Bruckheim A. J., Tomlinson P. G. A perspective on complex radar waveforms, arrays and processing. Microwave J., 1987, v. 30, № 9.

28. Wirth W. D. High resolution in azimuth for radar targets moving on a straight line. IEEE Trans., 1980, v. AES-16, № 1.

29. Калинин Ю. H., Кононов А. Ф., Костылев А. А., Левченко В. К. Сверхширокополосные методы и средства контроля радиолокационной заметности объектов. Зарубежная радиоэлектроника, 1994, № 6.

30. Основы загоризонтной радиолокации. Алебастров В. А., Гойхман Э. И., Заморин И. М. и др.; Под ред. А. А. Колосова. — М.: "Радио и связь", 1984.

31. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. В. Н. Антипов, В. Т. Горяинов, А. Н. Кулин и др.; Под ред. В. Т. Го-ряинов. М.: "Радио и связь", 1988.

32. Львова Л. А. Радиолокационная заметность летательных аппаратов. — Снежинск: Изд-во РФЯЦ- ВНИИТФ, 2003.

33. Винокуров В. И. Дискретно-кодированные последовательности. -Изд-во Ростовского университета, 1990.

34. Плёкин В. Я., Каменский И. В. Анализ функции неопределенности дискретно-кодированных сигналов. Радиоэлектроника, 1999, № 6 (Изв. высш. учеб. заведений).

35. Плёкин В. Я., Каменский И. В. Свойства функции неопределенности дискретно-кодированных по частоте сигналов Костаса. — Радиоэлектроника, 2001, № 5 (Изв. высш. учеб. заведений).

36. Плёкин В. Я., Каменский И. В. Свойства функции неопределенности составных дискретно-кодированных по частоте сигналов Радиоэлектроника, 2001, № 8 (Изв. высш. учеб. заведений).

37. Варакин Л. Е. Теория сложных сигналов. М.: "Сов. радио", 19.70.

38. Варакин Л. Е. Теория систем сигналов. — М.: "Сов. радио", 1978.

39. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. — М.: "Радио и связь", 1985.

40. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. Пер. с англ. Под ред. В. С. Кельзона. М.: "Сов. радио", 1971.

41. Костас Дж. П. Свойства сигналов с почти идеальной функцией неопределенности в координатах «дальность доплеровская частота» . -ТИИЭР, 1984, т. 72, №8.

42. Тузов Г. И. Статистическая теория приема сложных сигналов. — М.: "Сов. радио", 1977.

43. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами. Г. И. Тузов, В. А. Сивов, В. И. Прытков и др.; Под ред. Г. И. Тузова. — М.: "Радио и связь", 1985.

44. Голомб С. У., Тейлор X. Конструкции и свойства массивов Костаса. — ТИИЭР, 1984, т. 72, №9.

45. Расчет технических характеристик радиолокационных и радионавигационных систем: Учебное пособие. Под ред. М. С. Малашина. М.: Изд-во МАИ, 1999.

46. Задачник по теоретическим основам радиолокации и радионавигации: Учеб. пособие. Бруханский А. В., Волкова Г. А., Жуков С. Г.; Под ред. Ю. Г. Сосулина. -М.: Изд-во МАИ, 1992.

47. Цикин И. А. Дискретно-аналоговая обработка сигналов. — М.: "Радио и связь", 1982.

48. Морган Д. Устройства обработки на поверхностных акустических волнах: Пер. с англ. М.: "Радио и связь", 1990.

49. Сосулин Ю. Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации: Учебное пособие. -М.: "Радио и связь", 1992.

50. Обнаружения радиосигналов. Акимов П. С., Евстратов Ф. Ф., Захаров С. И.; Под. ред. Колосова А. А М.: "Радио и связь", 1989.

51. Бакулев П. А. Радиолокационные системы: Учеб. для вузов. — М.: "Радиотехника", 2004.

52. Плёкин В. Я. Алгоритмы и цифровые устройства селекции движущихся целей: Учебное пособие. — М.: Изд-во МАИ, 2002.

53. Плёкин В. Я. Цифровые устройства селекции движущихся целей: Учебное пособие. -М.: "Радиотехника", 2003.

54. Бакулев П. А., Степин В. М. Методы и устройства селекции движущихся целей. М.: "Радио и связь", 1986.

55. Бакалов В.П. Цифровое моделирование случайных процессов. — М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002.

56. Перов А. И. Статистическая теория радиотехнических систем: Учебное пособие. -М.: "Радиотехника", 2003.

57. Вопросы перспективной радиолокации. Под ред. А. В. Соколова. — М.: "Радиотехника", 2003.

58. Computer simulation of aerial target radar scattering, recognition, detection and tracking // Ed. Ya. D. Shirman. London: Artech House Boston, 2002.

59. Тихонов В. И., Харисов В. Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем: Учебное пособие. М.: "Радио и связь", 1991.

60. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. — М.: "Радио и связь", 1989.

61. Радиотехнические системы. Учеб. для вузов / Ю. П. Гришин, В. П. Ипатов, Ю. М. Казаринов и др.; Под ред. Ю. М. Казаринов. М.: "Высшая школа", 1990.

62. Кузьмин С. 3. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. Киев: Изд-во «Квщ», 2002.

63. Плёкин В. Я., Нгуен Тхань Хынг. Формирование функции неопределенности дискретно-кодированных по частоте сигналов с заданными свойствами. Радиоэлектроника (Изв. высш. учеб. заведений), 2004, № 1.

64. Плёкин В. Я., Нгуен Тхань Хынг. Анализ эффективности обнаружения дискретно-кодированных по частоте сигналов при наличии пассивных помех. Радиоэлектроника (Изв. высш. учеб. заведений), 2004, № 12.

65. Обработка сигналов в радиотехнических системах: Учебное пособие. Далматов А. Д., Елисеев А. А., Лукошкин А. П., Оводенко А. А., Устинов Б. В.; Под ред. А. П. Лукошкина. — Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1987.

66. Кузьмин С. 3. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. — М.: "Радио и связь", 1986.

67. Ширман Я. Д., Манжос В. Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. — М.: "Радио и связь", 1981.

68. Гольденберг Л. М., Матюшкин Б. Д., Поляк М. Н. Цифровая обработка сигналов: Учебное пособие. — М.: "Радио и связь", 1990.

69. Фарина А., Студер Ф. А. Цифровая обработка радиолокационной информации. Сопровождение целей. Пер. с англ. А. М. Бочкарева; Под ред. А. Н. Юрьева. М.: "Радио и связь", 1993.

70. Куприянов М. С., Матюшкин Б. Д., Иванова В. Е., Матвиенко Н. И., Усов Д. Ю. Техническое обеспечение цифровой обработки сигналов. Справочник. СПб.: "Форт", 2000.

71. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью. Борисов В. И., Зинчук В. М., Лимарев А. Е. и др.; Под ред. Борисов В. И. М.: "Радио и связь", 2003.

72. Шалыгин А. С., Палагин Ю. И. Моделирование случайных процессов и полей.-СПб, 1997.

73. Бакулев П. А., Клементьев А. Н., Степин В. М. Анализ эффективности устройств обработки радиолокационных сигналов в обзорных РЛС: Учеб. пособие. М.: Изд-во МАИ, 1992.

74. Меркулов В. И., Чернов В. С., Дрогалин В. В. и др. Защита радиолокационных систем от помех : Состояние и тенденции развития. — М.: "Радиотехника", 2003.

75. Витязев В. В. Цифровая частотная селекция сигналов. М.: "Радио и связь", 1993.

76. Браммер Ю. А., Пащук И. Н. Импульсные и цифровые устройства: Учеб. пособие. М.: Высш. школа, 2003.

77. Куприянов М. С., Матюшкин Б. Д. Цифровая обработка сигналов. — СПб.: Политехника, 2000.

78. Кетков Ю. Л., Кетков А. Ю., Шульц М. М. МАТЬАВ 6.x: программирование численных методов. СПб.: БХВ - Петербург, 2004.

79. Марпл-мл С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. Пер. с англ. О. И. Хабарова и Г. А. Сидоровой. Под ред. И. С. Рыжака. М.: "Мир", 1990.

80. Болыыев Л. Н., Смирнов Н. В. Таблицы математической статистики. -М.: "Наука", 1983.

81. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов: Учеб. для вузов. — СПб.: Питер, 2003.