ТУПИКОВЫЙ ПУТЬ РАЗВИТИЯ ПАССИВНОЙ ЛОКАЦИИ

DEAD END IN PASSIVE RADAR DETECTION DEVELOPMENT

Pavel Popik

Lead Engineer, Joint-Stock Company “Research and Development Institute “Vector”,

Russia, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

В материале проведено сравнение ключевых характеристик полуактивной когерентной радиолокационной системы и много стан­ционной радиотехнической системы пассивной локации. На основе логики их функционирования в отношении первой из них показан тупиковый и экономически не состоятельный путь решения задачи обнаружения и слежения за объектами в пространстве.

ABSTRACT

The work compares the key characteristics of the semi-active coherent radar system and the multi-station passive radio frequency detection system. It is demonstrated based on operational logic of the two systems that the first system appears to be uneconomical dead-end approach to solving the problem of detection and tracking of objects in space.

Ключевые слова: радиолокация, когерентный приём, приёмная позиция, источник подсветки, шумоподобный сигнал, дальность обнаружения, алгоритмом секторного обнаружения, эффект Доплера, эффективная поверхность рассеяния, разрешающая способность.

Keywords: radiolocation, coherent reception, receiving station, illumination source, noise-like signal, detection range, sector detection algorithm, Doppler effect, effective radar cross-section, discrimination power.

Существенным вкладом в развитие радиолокации на современном этапе явилось применение шумоподобных сигналов (ШПС), что позво­лило улучшить ряд ключевых характеристик активных, классических радиолокационных станций (РЛС), излучающих и принимающих отражённый от цели сигнал. Такая возможность неизбежно сложилась в результате развития технологий и усложнения современной радио­электронной аппаратуры. Удалось существенно увеличить разрешающую способность радиолокационной системы, которая улучшается с расши­рением полосы зондирующего сигнала, и, что не менее важно, на порядок снизить выходную мощность передатчика.

Это, казалось бы, полезное новшество при более глубоком рассмотрении оборачивается тупиком в дальнейшем развитии средств радиолокации, как активной, так и пассивной. Подавляющее боль­шинство научно-технической общественности, озабоченной проблемами освоения выделяемых на создание новой техники финансовых ресурсов, не ищет новых путей преодоления вызовов времени, а идет проторен­ными тропами. За частоколом мудрённых формул и решений никто не обратил внимание на простой факт, что, применяя корреляционную обработку, необходимую для приёма ШПС, она становится достаточно узким местом на пути потока принимаемой информации.

Актуальной в ближайшем будущем станет проблема обнаружения беспилотных летательных аппаратов, минимальные линейные размеры которых могут не превышать нескольких дециметров. Для полуактивных РЛС наиболее подходящим источником подсветки с учетом его информационных характеристик и закона дифракции, требующего, чтобы длина волны зондирующего сигнала не превышала размеры цели, является сигнал цифрового телевидения. Очевидно, что для достижения приемлемой дальности обнаружения цели, сопоставимой с классическими РЛС, и с учетом того, что мощность передатчиков подсветки раз в десять меньше, чем у активных РЛС, без применения ШПС и корреляционной обработки не обойтись. В свою очередь корреляционная обработка подразумевает наличие когерентного приёма, поэтому в дальнейшем изложении, в качестве примера, будут рас­смат­риваться в сравнении полуактивная когерентная РЛС (ПКРЛС) [Л1] и пассивная МРСПЛ [Л2].

На первый взгляд, учитывая низкую мощность источника подсветки (ИП), можно предположить, что задачу увеличения дальности обнару­жения цели можно решить путём увеличения мощности передатчика подсветки. Но поскольку в формуле дальности для радиолокации мощность передатчика находится под корнем четвёртой степени, то увеличением мощности в десять раз увеличения дальности можно достичь менее чем в два раза (точнее в 1,78 раза). А мощность передатчика классического радиолокатора с параболической антенной, работающая в импульсном режиме, примерно, в десять раз превосходит мощность стандартного передатчика цифрового телевидения, который работает в непрерывном режиме. Такой путь представляется беспер­спективным.

Помимо того, что вычисление функции корреляции требует определённое количество тактов машинного времени, возникает неприятная привязка, которая обнаруживается при рассмотрении того как происходит поиск неподвижной цели в промежутке от приёмной позиции (ПП) до заданной техническими условиями максимальной дальности (МД) обнаружения. Поскольку координаты цели неизвестны, вычисляется корреляция прямого сигнала, пришедшего от ИП до ПП, с отражённым от цели сигналом, который проходит весь путьот ИП до ПП. При пренебрежимо маломрасстоянии между ИП и ПП оно равно двум МД. Таким образом, в сравнении с МРСПЛ, у которой цель обнаруживается по энергетическим характеристикам, к двум измерениям определяющим цель на сфере (или полусфере) с радиусом МД, добавляется еще одно измерение вдоль радиуса этой сферы. И время обнаружения в результате оказывается пропорциональным не квадрату расстояния до цели, как это имеет место в пассивной РЛС, а находится в кубической зависимости от него. То есть ПКРЛС сканирует уже не площадь полусферы, а весь её объем. Но на этом неприятности не заканчиваются.

Дальнейшее нарастание объема обрабатываемой информации об объекте возникает при необходимости отслеживать подвижные цели, а именно такие цели и могут представлять интерес для систем мониторинга окружающего пространства. И опять без корреляционной обработки не обойтись, так как подвижная цель отражает столько же энергии сигнала ИП как и неподвижная. И при определении скорости объектов в заданном диапазоне скоростей к ранее указанному объёму вычислений добавляется четвёртое измерение, размерность которого определяется заданным диапазоном измерения и разрешающей способ­ностью ПКРЛС по скорости. Таким образом, вместо сканирования двух измерений, то есть поверхности при пассивном приёме, в результате необходимости применения корреляционной обработки мы вынуждены выполнять перебор четырёх измерений, что не может не сказываться на скорости обнаружения целей.

Количественно оценить размер бедствия, связанного с перебором четырёх измерений, можно по формулам приведённым ниже. Размерность каждого измерения, которая является безразмерной величиной, определяем по одной и той же формуле. А для упрощения вычислений, вместо скорости обработки одиночного значения, равного разрешающей способности для конкретного измерения, предлагается использовать произведение длительности одного машинного такта на их количество, которое для каждого измерения имеет свою величину. В итоговой формуле длительность машинного такта выносится за скобки, а в скобках остаётся произведение, определяющее перебор всей размерности четырёхмерного пространства.

                                       (1)

где:   Ri – размерность измерения, сканируемая в поисках цели;

Pin и Piv – соответственно, нижняя и верхняя граница измерения;

Razi – разрешающая способность соответствующего измерения;

Цифра 2 в начале равенства заменяет коэффициент, позволяющий перекрывать стыки между двумя смежными квантами сканирования.

                           (2)

где:   Rv – размерность поиска по вертикали;

Rg – размерность поиска по горизонтали;

Rd – размерность поиска по дальности;

Rs – размерность поиска по скорости;

tmt – длительность одного такта машинного времени. 

С учетом того, что в МРСПЛ отсутствует сканирование по дальности (определяется уровень сигнала и соответствующая ему угловая координата на сканируемой части сферы), а также сканирование по скорости (скорость определяется без применения эффекта Доплера по более скоростному алгоритму) максимальное время обнаружения одиночной цели на один два порядка лучше, чем для ПКРЛС.

Существенное различие МРСПЛ и ПКРЛС проявляют уже в самом истоке информационной обработки входного сигнала. МРСПЛ обнаруживает цель по разности уровней сигнала относительно уровня помех и/или в сравнении с принятым ранее из той же точки прост­ранства уровнем. Для ПКРЛС этого недостаточно, ему необходимо определять форму сигнала, без которой невозможен когерентный приём. Но без энергетики сигнала форма не определена, стало быть, с точки зрения обнаружения цели, информация о форме сигнала является избыточной, что является еще одним недостатком ПКРЛС.

Другим существенным отличием двух систем является то, что в отношении ПКРЛС вызывает большие сомнения возможность организации алгоритма, который в МРСПЛ именуется алгоритмом секторного обнаружения (АСО), и который на один два порядка может уменьшить время обнаружения. АСО позволяет находить цели в секторе, который превышает минимально достижимый сектор обзора для данной системы, за счет изменения параметров настройки МРСПЛ. Это «генетически» заданное свойство ПКРЛС, исключающее возможность организации АСО, также связано с корреляционной обра­боткой и через неё с геометрическим методом определения координат цели.

Эффект, аналогичный АСО в МРСПЛ, может быть реализован в РЛС с параболической антенной путем смещения излучателя-приемника из фокуса ближе к плоскости параболы по оптической оси симметрии. А в МРСПЛ, именно благодаря АСО, может быть реализован алгоритм последовательного приближения к точным координатам цели с одновре­менным определением скорости и вектора её движения, что позволит полностью исключить использование эффекта Доплера в радиолокации. Очевидно, что в этом случае для определения координат и вектора скорости цели необходимо иметь две приемные позиции МРСПЛ.

Ещё один очевидный недостаток, известный ещё у активных РЛС, проявляется в том, что максимальная скорость обнаруживаемой цели зависит от скорости сканирования пространства и её удаления от приёмной позиции. В результате удалённая цель, движущаяся со скоростью более чем максимально заданная для ПКРЛС, не обнару­живается. А в ближней зоне от приёмной позиции образуется мёртвая зона, из-за её большой угловой скорости перемещения относительно ПП. Два конструктивных недостатка, описанных в этом абзаце, существенно нивелируются в МРСПЛ благодаря применению АСО и определению величины и вектора скорости без использования эффекта Доплера. Эффект Доплера не позволяет определить направление вектора скорости цели, особенно для случая, когда цель движется относительно ПП не создавая доплеровского смещения, и требует значительных вычислительных ресурсов.

Из закона дисперсии следует, что если препятствие на пути волны равно или меньше длины этой волны, то от него почти отсутствует отраженная волна и соответственно тень не образуется. Другой похожий эффект мы наблюдаем в радиолокации. Здесь угол, который охватывает, как принято считать, диаграмма направленности классических радиолокаторов существенно превышает не только длину волны ИП, но и размеры цели. Закономерно, что для идентификации типа воздушного объекта было введено понятие эффективной поверх­ности рассеяния (ЭПР). По наработанной библиотеке ЭПР и величине отражённого сигнала определяют тип одиночного воздушного объекта. При наличии множества близко расположенных целей, возникают трудности идентификации целей. Следовательно, считать, что трактуемое некоторыми читателями понятие разрешающей способности как возможность обнаружить объект определенного размера, является заблуждением. В оптике под классическим определением разрешающей способности понимается способность различать два близко располо­женных объекта, а не идентифицировать их как один объект большего размера.

Другая сложность, связанная с ЭПР, состоит в том, что её величина зависит от частоты отражённого сигнала и при переходе от одного ИП к другому (например, при аварийном отключении или установке ПКРЛС в другом населённом пункте) необходимо заранее иметь или нарабатывать библиотеку ЭПР. Этого недостатка лишён МРСПЛ благодаря энергетическому обнаружению и определению параметров цели. Для того чтобы различать на заданном расстоянии от ПП две близко расположенные цели, как два объекта, необходимо, во-первых, обеспечить необходимую пространственную избирательность антенной решётки, и, во-вторых, использовать частотный спектр с длинами волн, которые на порядок меньше минимальных размеров определяемых объектов. Решение такой задачи для ПКРЛС представляется технически невозможным. В то время как для МРСПЛ, ближайшим аналогом которого является орган зрения (глаз человека), указанная техническая реализация не вызывает сомнения.

К чисто конструктивным недостаткам ПКРЛС следует отнести также построение одномерной антенной решетки (антенны решетки расположены в линию) и, описанный ещё в 20-х годах прошлого века, метод получения прямого сигнала, идущего от ИП до ПП. Экономия в вычислительной мощности, получаемая за счет этого, существенно снижает чувствительность системы из-за более низкой избирательности одиночной направленной антенны в сравнении с антенной решеткой, которая способна более эффективно в параллельном вычислительном процессе выделять прямой сигнал на фоне помех [Л3]. Именно это низкое качество выделения прямого сигнала формирует вокруг ИП значительных размеров слепую зону, в которой ПКРЛС не может ничего обнаружить и делает этот комплекс абсолютно бесполезным. Практические испытания на опытном образце также показали, что расстояние от ПП до ИП более чем в три раза превышает расстояние от ПП до цели и исключает обзор секторов, расположенных между ПП и ИП. Кроме того, из-за линейного расположения элементов антенной решётки в горизонтальной плоскости система не способна определять высоту, на которой расположена обнаруженная цель. И как результат пассивный, якобы локатор, превращается фактически в пеленгатор, определяющий направление на цель. Введение же второй приемной позиции для вычисления координат цели приводит к дублированию определения дальности дважды.

В заключение проведём два сравнения, показывающих несостоя­тельность выбранного технического решения. Стоит обратить внимание компетентного читателя еще на одну тенденцию, от которой в погоне за дешевизной радиолокационной системы отходят авторы различных концепций построения ПКРЛС. Она отчетливо видна из сравнения коли­чества элементов антенной решетки у ПКРЛС, бортовой фазированной активной решетки (АФАР) [Л4], лучшего в мире отечественного радио­локатора «Дон» и, в качестве пассивного локатора, органа зрения. Указанные количественные параметры легко найти в глобальной сети «интернет». На АФАР используется около 1000 штук активных элементов, РЛС «Дон» - более 4000 приемных модулей, в сетчатке глаза у взрослого человека со 100 % зрением насчитывается около 6-7 миллионов светочувствительных колбочек, а в антенной решетке ПКРЛС не более трех десятков элементов. Соответствующим образом различаются и качественные характеристики приведенных выше радиотехнических систем.

Другое сравнение невольно возникает при взгляде на технические характеристики первого опытного образца ПКЛ, который предлагался в серийное производство, в том числе для зарубежных заказчиков. Если подсчитать, сколько необходимо комплексов ПКРЛС для покрытия площади, которая контролируется посадочным РЛС с радиусом зоны контроля в 40 км, то с учётом полученных ТТХ опытного образца ПКРЛС (дальность 10 км, сектор обзора 90 градусов) их необходимо более 60 штук, без учёта необходимости перекрытия секторов обзора. Сопоставив стоимость двух систем, обнаруживаем также и экономи­ческую нецелесообразность выбранного направления развития пассивных РЛС для подавляющего числа вариантов её применения.

Список литературы:

1. Бархатов А.В., Безуглов А.В., Коновалов А.А. Пассивный когерентный локатор. Патент на полезную модель 162946. Опубликован 27.06.2016, бюл. № 18.
2. Попик П.И. Многостанционная радиотехническая система пассивной локации (промышленного видения). Патент RU 2517234. Опубликован 27.05.2014, бюл. № 15.
3. Чиркунова Ж.В. Пространственная обработка сигналов в цифровых антенных решетках: Автореферат диссертации кандидата технических наук. Москва 2009 г. – страница 3.
4. Этапы работ "Фазотрон-НИИР" по АФАР [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.missiles.ru/AESA_ph_5.htm.