Повышение дальности действия пассивных радиолокационных систем использующих сигналы телекоммуникационных источников Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Повышение дальности действия пассивных радиолокационных систем, использующих сигналы телекоммуникационных источников

Рогожников Е.В., к.т.н. Великанова Е.П., Шибельгут А.А. Томский государственный университет управления и радиоэлектроники 8 (382) 241-34-78, [email protected], [email protected], [email protected]

к.т.н. Ворошилин Е.П.

Университет машиностроения 8 (495) 223-05-23, [email protected]

Аннотация. В статье рассматриваются особенности применения когерентного накопления в пассивных радиолокационных системах, работающих по сигналам телекоммуникационных источников. Описана методика когерентного накопления. Рассмотрены факторы, ограничивающие время накопления сигналов. Приведены зависимости дальности действия системы и отношения сигнал/шум принимаемого сигнала от времени накопления. Сделаны выводы о эффективности применения когерентного накопления в пассивных радиолокационных системах.

Ключевые слова: пассивная радиолокационная система, накопление сигналов, дальность действия, банк фильтров, импульсная характеристика, корреляционная функция.

Введение

Пассивные радиолокационные системы (РЛС) [1], работающие по сигналам известных телекоммуникационных источников, обеспечивают максимальную скрытность радиолокационной станции, при этом не требуется излучение от радиолокационной цели (РЛЦ). Дальность действия подобных систем напрямую зависит от мощности источника сигнала и составляет от 2500 до 5000 м при эффективной поверхности рассеяния цели равной 10 м2 [1], что ограничивает их применение. Одним из способов, позволяющих повысить дальность действия радиолокационной системы, является накопление сигналов [2], отразившихся от радиолокационной цели. Применение накопления сигналов напрямую в подобных системах невозможно, поскольку сигналы, передаваемые телекоммуникационным источником содержат случайные данные, отличающиеся в каждом символе. В данной статье рассматривается способ, позволяющий использовать когерентное накопление в пассивных РЛС.

Методика увеличения дальности действия пассивных РЛС

Суть когерентного накопления сигналов заключается в синфазном суммировании сигналов, отраженных от радиолокационной цели, для увеличения отношения сигнал/шум [2]. Структура кадра современных систем связи такова, что в нисходящем кадре передается известный сигнал синхронизации, а также информационные символы, содержащие случайные данные пользователей или данные эфирного вещания [1]. Такая структура кадра делает невозможным применение алгоритмов когерентного накопления напрямую. Одним из способов исключения случайной составляющей телекоммуникационных сигналов является накопление оценок взаимокорреляционной функции (ВКФ) между опорным и принятым сигналами, полученными по каждому принимаемому символу. Полученные таким образом результирующие оценки ВКФ позволяют оценить задержку сигнала, отраженного от радиолокационной цели, относительно прямого сигнала, поступившего от передатчика. Нахождение координат цели в таком случае решается известными методами [3].

Рассмотрим методику когерентного накопления радиосигналов в пассивных радиолокационных системах. Если предположить, что цель неподвижна, накопление может быть реализовано следующим образом:

1) принимается известный сигнал синхронизации от телекоммуникационного передатчика с известными координатами;

2) производится оценка импульсной характеристики канала РРВ между передатчиком и пассивным локатором;

3) используя оценку импульсной характеристики, полученную по сигналам синхронизации, производится демодуляция каждого информационного символа и формирование опорных сигналов для оценки ВКФ по каждому принимаемому информационному символу;

4) при использовании полученных опорных сигналов производится оценка и накопление ВКФ по каждому принятому символу.

Блок схема алгоритма приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Блок схема алгоритма когерентного Рисунок 2. Схема расположения накопления передатчика, пассивной РЛС и

радиолокационной цели

Вся обработка и накопление оценок ВКФ производятся после аналого-цифрового преобразования в приемнике. Демодуляция сигнала производится по прямому сигналу, принимаемому от источника.

Оценка ВКФ может быть произведена различными методами [4], например:

кп) = ЩАОД, * {п)) X Ш(5опор («))),

где: £пр - принятый сигнал, отраженного от радиолокационной цели, 5 - опорный сигнал,

1 - прямое преобразование Фурье, 1151 - обратное преобразование Фурье, * - коплексное сопряжение, п - номер дискретного отсчета сигнала.

Результирующая оценка ВКФ формируется путем когерентного суммирования полученных частных оценок:

N

/=1

где: N— количество оценок ВКФ, v - оценка ВКФ по /-му символу.

Реальные радиолокационные цели движутся, это приводит к сдвигу частоты отраженного от радиолокационной цели сигнала, обусловленному эффектом Доплера [5]. Сдвиг частоты fd для бистатической системы определяется выражением [5]:

f = 2f-\V\-cos( j) • cos 5,

c 2

где: f - частота сигнала, V - вектор скорости радиолокационной цели, углы j и 5 поясняются на рисунке 2.

На рисунке 2 обозначено: R - расстояние между передатчиком и пассивной РЛС, r1 -расстояние между передатчиком и радиолокационной целью, r2 - расстояние между пассивной РЛС и радиолокационной целью.

Запишем уравнение сигнала, отраженного от радиолокационной цели и принятого пассивной РЛС, s (t) = s(t) • exp(j2p(f0 + fd)t) = s(t) • exp(j2pf0t + j(t)), где: s(t) - излученный

сигнал, ф(/) = 2л// - фазовый набег принимаемого сигнала, вызванный движением цели [5]. Доплеровский сдвиг частоты / приводит к фазовому набегу, из-за которого сигналы при

накоплении будут иметь рассогласование по фазе, вследствие чего накопление будет неэффективным. Для устранения рассогласования фаз, вызванного эффектом Доплера, необходимо применение фильтрации полученных оценок. Ее суть заключается в разделении сигнала на М параллельных каналов, в каждом из которых производится фазовый сдвиг каждого отсчета принятого и проходящего через него сигнала на угол dфх..Лфм, где М - количество каналов в банке фильтров (рисунок 3). Сигнал на каждом из выходов фильтра определяется

выражением: (п) = Б^(п)-е"ф ... ,(п) = Б^(п)-е'

(j ■п ■ фм )

пр1

прМ *

прМ *

Значение и количество

коэффициентов dф1...dфм рассчитывается, исходя из интересующего диапазона скоростей воздушной цели.

Рисунок 3. Структура доплеровского фильтра

С учетом доплеровской фильтрации принимаемых сигналов блок-схема исходного алгоритма примет вид, изображенный на рисунке 4.

Принятый сигнал

Оценка ВКФ Блок накопления оценок ВКФ

Демоду ляция Формирование опорного сигнала опор

Банк фильтров

^пр!"" "^прМ

2, 1 Г 1 л

Блок

обнаружения

Рисунок 4. Блок-схема алгоритма когерентного накопления с учетом доплеровской

фильтрации

Блок обнаружения выполняет обнаружение сигнала, отраженного от радиолокационной цели, по максимальному уровню накапливаемого сигнала в каждом канале (1.. .М).

Результаты моделирования

Рассчитаем отношение мощности отраженного сигнала к мощности шума в приемнике для пассивной радиолокационной системы, параметры которой приведены в таблице 1, при взаимном расположении передающего и приемного пунктов, изображенных на рисунке 2.

Мощность сигнала на выходе приемной антенны определяется выражением [6]:

р = РперСперСщЛ2а

пр

(4р)3 г12Г22

где: Рпер - мощность передающей антенны,

Gпер - коэффициент усиления передающей антенны, Gпр - коэффициент усиления приемной антенны, а - ЭПР радиолокационной цели,

Ротр - мощность радиосигнала, отраженного от радиолокационной цели, 1 - длина волны.

Отношение мощности отраженного от радиолокационной цели сигнала к мощности шума приемника для параметров, приведенных в таблице 1, составит - 10 дБ. Использование накопления оценок импульсной характеристики по описанному выше алгоритму, позволяет увеличить отношение сигнал/шум.

Таблица 1.

Параметры исследуемой радиолокационной системы

Излучаемая мощность (Вт) 50

Коэффициент усиления передающей антенны (ДБ) 13

ЭПР цепи, м2 10

Длина волны, м 0.125

Коэффициент усиления приемной антенны (ДБ) 13

Минимальное отношение сигнал/шум, необходимое для обнаружения сигнала 10

Длительность импульса (мкс) 100

Мощность шума приемного тракта (дБм) - so

Расстояние между передающим и приемным пунктом (м) 2000

Высота радиолокационной цели (м) 4000

Потери при передаче сигнала (дБ) 2

Потери при приеме сигнала (дБ) 3

На рисунке 5 показана зависимость отношения сигнал/шум для сигнала, отраженного от радиолокационной цели, в зависимости от времени накопления при скорости радиолокационной цели равной 250 м/с, при наличии банка доплеровских фильтров и без него.

0.002 0.004 0.006 0.008 Время накопления, с

Рисунок 5. Зависимость отношения Рисунок 6. Зависимость эффективной

сигнал/шум отраженного от дальности действия пассивной РЛС ( р ) от

радиолокационной цели сигнала от времени накопления

времени накопления

Также приведена зависимость эффективной дальности действия от времени накопления при точном устранении доплеровского сдвига частоты (рисунок 6).

Эффективная дальность действия (р ) для бистатической системы определяется выражением [7]:

Р =

V( RtRR )

R / max

- 4

4

P G G l2sF2F2

пер пер пр 1 2

(4p)3 kTsB (S/N)n

L L

пер пр

где: к - постоянная Больцмана, ^ - потери энергии при распространении до РЛЦ, - потери энергии при распространении после отражения от РЛЦ, В - шумовая полоса приемника,

Серия «Естественные науки»

(S/N)min - отношение сигнал/шум, необходимое для обнаружения сигнала, L - потери при передаче сигнала, Lnp - потери при приеме сигнала, Ts - шумовая температура приемника.

Использование когерентного накопления на интервале времени, не превышающем 2 мс, позволяет повысить отношение сигнал/шум без использования банка фильтров до - 3 дБ. Применение банка доплеровских фильтров позволяет достигнуть величины отношения сигнал/шум в 10 дБ. В том случае, когда коррекция доплеровского набега фаз выполняется абсолютно точно (известно доплеровское смещение частоты в каждый момент времени), отношение сигнал/шум может быть увеличено до 20 дБ (теоретический предел). Изменение положения РЛЦ в пространстве приводит к изменению доплеровского сдвига частоты (из -за изменения углов р и S, в связи с этим отношение сигнал/шум на выходе банка фильтров не достигает своего теоретического предела. Результирующее отношение сигнал/шум зависит от времени накопления, скорости и направления движения радиолокационной цели, а также от количества каналов доплеровского банка фильтров. На приведенных на рисунках 5 и 6 зависимостях ошибка оценки доплеровского сдвига частоты не превышает 30 Гц. Количество фильтров в банке определяется исходя из интересующего диапазона скоростей РЛЦ, а также сектора обзора РЛС.

Выводы

В статье рассматриваются особенности применения когерентного накопления сигналов, отраженных от радиолокационной цели, в пассивных радиолокационных системах, работающих по сигналам известных телекоммуникационных источников. Использование когерентного накопления напрямую невозможно, поскольку излучаемые сигналы содержат случайные данные пользователей, в связи с этим предлагается производить накопление оценок импульсных характеристик канала РРВ. С увеличением радиальной скорости РЛЦ уменьшается время когерентного накопления и результирующее отношение сигнал/шум принимаемого сигнала. Применение когерентного накопления импульсных характеристик позволяет в несколько раз повысить дальность действия пассивных РЛС в зависимости от времени накопления, скорости РЛЦ и количества доплеровских фильтров. Результаты расчета показали, что эффективная дальность действия пассивной РЛС, работающей по сигналам телекоммуникационных источников может быть увеличена в несколько раз (с 4 км до 11 км для данных приведенных в таблице 1).

Литература

1. Рогожников Е.В., Ушарова Д.Н., Убайчин А.В. Использование сигналов современных телекоммуникационных систем в пассивных радиолокационных системах // Известия Томского политехнического университета. - 2013. - т. 323. - №. 5.

2. Бункин Б.В., Борзов А.Б., Сучков В.Б. и др. Вопросы перспективной радиолокации (Коллективная монография) / под ред. Соколова А.В. - М.: Радиотехника, 2003.- 512 с.: ил. ISBN 5-93108-025-2

3. Кондратьев В.С. Многопозиционные радиотехнические системы// М.: Радио и связь, 1986. - 264с..

4. Ворошилин Е. П., Рогожников Е. В., Вершинин А. С. Метод повышения точности оценки передаточной функции канала распространения радиоволн // Известия Томского политехнического университета. - 2011. - Т. 319. - №. 3. - С. 133-137.

5. Chen V. The micro-Doppler effect in radar. - Artech House, 2011.

6. Willis N. J. Bistatic radar. - SciTech Publishing, 2005.

7. Kostylev V.I., Stukalova I.V. Bistatic radar: maximum range and effective area //Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Физика. Математика. 2006. № 1. С. 46-50.