Цифровой миллиметровый радиолокатор высокого разрешения.
Данная лекция подготовлена для студентов физического факультета МГУ д.ф-м.н. Потаповым А.А. и аспирантом ИРЭ РАН Германом В.А. на основе материалов многочисленных исследований, выполненных в ИРЭ РАН и НПО “Алмаз” и является обобщением результатов теоретических исследований за последние 5-7 лет.
Освоение диапазона ММВ для перспективных радиотехнических систем с учетом непрерывности роста требований к эффективности их применения требует поиска новых подходов к реализации идей радиолокации. Анализ проблемы создания эффективных базовых радиолокаторов с высокой разрешающей способностью при жестких требованиях к энергическим и массогабаритным характеристикам показывает практическую невозможность ее решения традиционными методами. Теоретические и экспериментальные результаты, полученные в ИРЭ РАН и НПО “ Алмаз ” по проблемам создания эффективных приемно-передающих средств нового поколения, позволили практически приблизиться к решению задачи создания радиолокаторов, характеристики которых удовлетворяют самым высоким из современных требований к устройствам такого рода [1- 10].
Не имея аналогов в мире, создаваемый с использованием особенностей сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн и новых способов обработки широкополосных сигналов, базовый приемно-передающий комплекс может способствовать решению широкого круга задач, в том числе и разработкам малогабаритных труднообнаруживаемых и надежных средств радиолокации двойного назначения.
Преимущественными особенностями нового цифрового радиолокатора (ЦР) являются:
обработка входного подшумового сигнала на несущей частоте в диапазонах СМВ и ММВ непосредственно на выходе приемно-передающей антенны без предварительного усиления и преобразования частоты;
применение квазинепрерывного сложного фазоманипулированного (ФМ) зондирующего сигнала с уникальной базой (>106);
100-процентная глубина цифровой обработки информации;
исключение из приемного тракта ЦР преобразователей и усилителей промежуточной частоты;
простота модификации при адаптации радиолокатора к решению задач различных классов;
малые массогабаритные характеристики при высокой технологичности изготовления, обусловленные твердотельным исполнением и модульностью конструкции.
Выполнение аппаратуры на современной элементной базе позволяет уменьшить массу ЦР до 10 кг и менее. Применение в качестве сигнального процессора и выходного устройства малогабаритного современного компьютера обеспечивает хорошую эргономическую конструкцию ЦР и повышает наглядность представления радиолокационного изображения местности в широкой гамме псевдоцветов, а также решает задачу программного селективного увеличения фрагментов наблюдаемого объекта. С помощью модемного интерфейса, совместимого с компьютером, возможна передача радиолокационной информации на базовую станцию. Наличие компьютера в составе ЦР позволяет повысить функциональную гибкость системы и стандартизованную совместимость с внешними абонентами.
В разработанном ЦР с одной антенной и длительностью зондирующего сигнала (или периода модуляции), значительно превышающей время распространения радиоволны до цели и обратно, использован
Рис1,а
квазинепрерывный режим работы. В качестве зондирующего сигнала выбран широкополосный сигнал со скважностью 2 и поимпульсной однократной фазовой модуляцией {0,
p} по псевдослучайному закону кодовой последовательностью максимальной длины (М-последовательность) и с относительной кратковременной нестабильностью несущей частоты 10-8 за 150 мкс. М-последовательность соответствует порождающему полиному с периодом М= (2020 - 1) , что определяет базу сложного сигнала m = 1048576.При оптимальной обработке такого сигнала энергетический потенциал комплекса возрастает на 60 дБ. Таким образом, по энергетике выбранный сложный зондирующий сигнал при пиковой мощности 1 Вт эквивалентен классическому импульсному сигналу мощностью 10
6 Вт.Используемый закон модуляции обеспечивает гибкое программное изменение радиальной разрешающей способности при постоянном режиме излучения. Такой режим работы оказывается полезным как при обзоре воздушного пространства, так и при кластеризации объектов в зоне обзора.
Электромагнитная совместимость ЦР, работающих в одном частотном диапазоне, определяется ортогональным набором модулирующих М-последовательностей, обеспечивающих высокую криптостойкость. При степени порождающего полинома k = 20 число используемых ортогональных последовательностей превышает величину 10
5.Указанные выше особенности и преимущества сложных сигналов с большой базой известны давно, но отсутствие практического способа реализации при электромагнитной развязке между приемными и передающими каналами на 180…200 дБ не позволяло их использование для задач радиолокации
.
Рис. 1,б
В предлагаемом варианте ЦР эта проблема решена применением параметронов для формирования зондирующего сигнала и параметрических квантователей фазы для оцифровки принимаемого сигнала на несущей частоте. Пвраметронами называются электронные устройства представляющие собой особый тип полупроводниковых параметрических усилителей. Конструктивно параметроны представляют собой объединение колебательной системы (резонатора) с активным элементом (параметрическим диодом)[12]. При испытаниях было показано, что параметроны осуществляют не только аналого-цифровое преобразование входного сигнала, но и выполняют функции преселектора, обеспечивая весьма высокую частотную и фазовую избирательность.
Упрощенная схема основного варианта ЦР приведена на рис. 1, a . Здесь для упрощения изложения принципа действия ЦР показан один из двух идентичных фазированных приемных каналов. В блоке опорных частот БОЧ твердотельным ЛПД-генератором вырабатывается непрерывный сигнал частотой f в сантиметровом или миллиметровом диапазонах. Отфильтрованная вторая гармоника 2f используется в качестве сигнала накачки для импульсного параметрического генератора ПГ и параметрического квантователя фазы ПКФ.
Для повышения надежности срабатывания параметронов генератор накачки должен быть стабилизирован по частоте и иметь минимальные фазовые шумы. Тактирование ПГ осуществляется импульсом гашения U синхронизатора С. В последнем генерируется М-последовательность с тактовой частотой f
0 = 30 МГц и периодом М = (2 20 - 1). Длительность парциальных импульсов равна 15 нс.Формирование элементарной зондирующей посылки осуществляется подачей в резонатор генератора ПГ от фазового модулятора ФМ сигнала мощностью ~ 10
-10 Вт и смещением сигналом U параметрического диода генератора ПГ в рабочую точку. Через 15 нс после начала генерации импульсом гашения открывается параметрический диод генератора ПГ и срываются его колебания. Сформированный короткий высокочастотный импульс через циркулятор Ц излучается антенной А в свободное пространство. Выбранный метод формирования позволяет непосредственно на выходе генератора ПГ получить ФМ сигнал, состоящий из большого числа парциальных импульсов.Через 5 нс после срыва колебаний ПГ сигналом управления начинает плавно выводиться в рабочую точку параметрический диод в ПКФ. Таким образом, ПКФ сначала работает в предосцилляционном режиме интегрирования, когда устанавливается его фаза, а затем он переходит в режим устойчивой генерации. Отраженный от цели сигнал через антенну А и циркулятор Ц поступает на вход ПКФ. Минимальный входной сигнал для запуска ПКФ сравним с уровнем теплового шума, т. е. при полосе пропускания 60 МГц он должен быть примерно равен – 126 дБ. Однако, с учетом потерь в передающих линиях, а также собственных шумов минимальный входной сигнал не может быть меньше –120… -122 дБ. На выходе ПКФ формируется последовательность высокочастотных импульсов, несущая фазовую информацию об отраженном сигнале.
По прошествии еще 10 нс колебания ПКФ срываются. К этому времени сгенерированный импульс с квантованной фазой оказывается уже продетектированным в фазовом детекторе ФД. Видеосигнал с детектора ФД приемного канала с помощью блока логики БЛ преобразуется к необходимым уровням и далее обрабатывается сигнальным процессором в блоке цифровой обработки БЦО. Здесь используется фильтрация в 20 дальностных каналах. Затем выходной сигнал поступает на магнитный регистратор МР и электронно-лучевой индикатор ЭЛИ.
Для уменьшения времени обзора проводится параллельный анализ 20 элементов дистанции с помощью многоканальной цифровой обработки. Это позволяет наблюдать одновременно несколько целей в селектируемом окне, которое может перемещаться по дальности.
Во второй модификации ЦР используется метод двухчастотного излучения рис. (1, б). В этом случае применяются общий синхронизатор С и цифровые твердотельные радиолокаторы ЦТР
1 и ЦТР2 , собранные по схеме рис. 1, a. Через фильтры Ф1 и Ф2 , препятствующие взаимному влиянию рабочих каналов, и коммутирующее устройство КУ сформированные импульсы поступают поочередно на антенну А, выполненную в виде плоской щелевой решетки с диаграммой направленности 3, 2o x 7, 5o на волне 8, 6 мм. Система управления антенной обеспечивает заданное положение диаграммы направленности в зависимости от режима работы и обзора. Отображение радиолокационной информации производится на дисплее компьютера IBM PC в псевдоцвете.Технические характеристики двухчастотного ЦР следующие:
|
Длина
волны, мм
8,
6
20 |
|
Импульсная
мощность,
мВт
10
500 |
|
База
сигнала,
>106 |
|
Разрешение
по дальности, м
<
2 |
|
Дальность
действия, км
<
5 <
100 |
|
Потребляемая
мощность, Вт
<
150 |
|
Наработка
на отказ, ч
10000 |
|
Масса,
кг
<20 |
|
Объем
, литр
<20 |
Степень разрешения радиолокационных изображений, полученных на длине волны 8, 6 мм, можно оценить по хорошо просматриваемой визуально линии электропередачи на местности.Характерные формы огибающей ФМ сигнала, отраженного некоторыми видами земных покровов, приведены в [4].
Нетрадиционное применение рассмотренных радиолокаторов в диапазоне ММВ для решения задач обнаружения биологических объектов (стаи птиц, рой насекомых, человек) было рассмотрено и проверено экспериментально в [5].
Известна лишь одна работа по измерениям эффективной площади рассеяния (ЭПР) s и индикатрис рассеяния человека на длинах волн 73, 2; 26,8; 10, 4; 6, 25; 3,2 см [11]. Результаты измерения ЭПР человека на волнах длиной 8, 6 и 20 мм с помощью цифровых радиолокаторов [10] показали высокую эффективность зондирования и позволили продолжить частотную зависимость в диапазон ММВ[11].
Отметим, что s человека зависит, главным образом, от типа поляризации волны и направления на его тело. Было установлено наличие пропорциональной связи между ЭПР и массой человека. Данные [11] получены с погрешностью 1 дБ для человека массой 90 кг и ростом 180 см. Результаты измерений с помощью ЦР выполнены для человека массой 80 кг и ростом 175 см.
При когерентном ФМ зондирующем сигнале движущиеся объекты (человек, автомобиль, самолет) наблюдались на экране ЦР с непосредственной оценкой скорости их перемещения. В частности, у неподвижно стоящего человека даже небольшие колебания складок одежды приводят к резкому до десятка децибел изменению амплитуды отраженного сигнала, хорошо различимому на экране индикатора. Как показано в [10], области применения ЦР достаточно широки.
Получил обоснование проект обзорной РЛС на основе ЦР с использованием вращательного движения лопасти винта вертолета для синтезирования искусственной апертуры антенны. Фазированная антенная решетка и высокочастотный приемно-передающий модуль размещаются в лопасти винта. С помощью сигнального процесса осуществляется экстраполирование информации об эволюции движения лопасти и производится фазовая компенсация ее вращательного движения.
Проведенные исследования показывают перспективность и высокую эффективность применения разработанных ЦР со сложным ФМ когерентным сигналом большой базы для решения разнообразных практических и научных задач радиолокации в условиях быстро меняющихся характеристик окружающей среды.
Список литературы: