CC BY
15A.A. ИЛЬИНЫХ,
B.В. ЗОСИЕВ, В.Е. ТУРОВ
A.A. ILYINYKH, V.V. ZOSIYEV, V.Ye. TUROV
СЗАБ0Т0И О НОВЫХТЕХНОЛОГИЯХ
TAKING CARE OF NEW TECHNOLOGIES РАЗВИТИЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ БАЗЫ ВОЕННОГО ВУЗА DEVELOPMENT OF RESEARCH BASE FOR MILITARY EDUCATIONAL INSTITUTION
Сведения об авторах: Ильиных Андрей Александрович - начальник Ярославского высшего военного училища противовоздушной обороны, генерал-майор, кандидат военных наук, доцент (г. Ярославль);
Зосиев Валерий Валерьевич - заместитель начальника ЯВВУ ПВО по учебной и научной работе, полковник, кандидат технических наук, доцент (г. Ярославль);
Туров Виктор Евгеньевич - профессор кафедры физики ЯВВУ ПВО, доктор технических наук, профессор (г. Ярославль).
Аннотация. В статье показано развитие научно-исследовательской базы Ярославского ВВУ ПВО на примере экспериментальных исследований. Рассмотрена технологическая перспектива научного взаимодействия с вузами региона. Представлены экспериментальные результаты научно-исследовательской работы.
Ключевые слова: научно-исследовательская база, макет РЛС, экспериментальные исследования, новые технологии, информативность РЛС.
Information about the authors: Andrey Ilyinikh - Chief of the Yaroslavl Higher Military Air Defence School, Major-General, Cand. Sc. (Mil), Associate Professor (Yaroslavl);
Valery Zosiyev - Deputy Chief of the Yaroslavl Higher Military Air Defence School on Educational and Scientific Work, colonel, Cand. Sc. (Tech.), Associate Professor (Yaroslavl);
Viktor Turov - Professor of the Subdepartment of Physics of the Yaroslavl Higher Military Air Defence School, D. Sc. (Tech.), Professor (Yaroslavl).
Summary. The article shows how the Yaroslavl Higher Military Air Defence School develops its research base on the example of experimental research. The technological perspective of scientific interaction with higher educational institution in the region is considered. The experimental results of this research work are presented.
Keywords: research base, radar model, experimental studies, new technologies, radar informative capability.
Ярославское высшее военное училище противовоздушной обороны берет начало от военно-технического училища войск ПВО страны, созданного 15 октября 1951 года. В настоящее время ЯВВУ ПВО готовит специалистов для всех войск противовоздушной обороны и считается одним из лучших и востребованных военных вузов страны.
Учебно-материальная база (УМБ) училища в целом соответствует парку вооружения и военной техники войск ПВО. В нем есть тренажеры-симу-ляторы автоматизированных систем управления авиации, радиотехнических комплексов и зенитной ракетной техники. Есть в училище современная боевая техника, в частности, ЗРС С-300 ПМ, ЗРПК «Панцирь-С». Запла-
нирована поставка ЗРС С-400 «Триумф».
В училище на кафедрах и в научно-исследовательских лабораториях проводятся исследования в области совершенствования вооружения и военной техники войск ПВО. Направления научных исследований определяются деятельностью научных школ, возглавляемых опытными руководителями из числа
Схема 1. Структура макета короткоимпульсной полнополяриметрической радиолокационной станции
в 2016 году между Ярославским государственным университетом им. П.Г. Демидова и Ярославским высшим военным училищем ПВО заключен договор о создании
ведущих ученых училища. Важную роль в развитии науки имеет взаимодействие с научными коллективами других ВУЗов и предприятий промышленности. Так,
Центра исследований радиотехнических систем, поскольку именно радиолокационная техника - основное информационное средство в системе ПВО. Основной задачей деятельности Центра является разработка новой конкурентоспособной техники и технологий, создание новых методов цифровой обработки сигналов для радиосвязи, радиолокации и радионавигации, обеспечение практической базы учебного процесса на этой основе. Кроме того, осуществляется подготовка преподавательского состава, владеющего современными методами и технологиями радиотехники, специалистов, в том числе высшей квалификации, целевых специалистов для развития училища и университета.
Основанием для создания Центра стали совместные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, выполненные в инициативном порядке в 2013-2015 годах. Одним из наиболее важных результатов совместной работы стал действующий макет реконфигуриру-емой широкополосной РЛС с полной поляриметрической обработкой. Этот макет был представлен на «Дне инноваций Минобороны РФ-2014» и «Армии-2015» в экспозиции инновационного резерва Министерства обороны Российской Федерации. Он предназначен для оценки и анализа алгоритмов работы РЛС методом полунатурного моделирования. Основная идея модели - в создании технологии, позволяющей заменить дорогостоящие натурные испытания РЛС в динамических многолучевых радиоканалах полунатурными с заданной степенью адекватности. Макет позволяет в реальном масштабе времени обнаружить, определить ко-
ординаты и параметры движения удаленных объектов (радиолокационных целей).
Макет короткоимпульсной полнополяриметрической радиолокационной станции имеет следующую структуру.
В состав РЛС входят:
1. УПК - управляющий компьютер.
2. ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь.
3. ЦОС - узел цифровой обработки сигналов.
4. АЦП - аналого-цифровой преобразователь.
5. УМ - усилители мощности.
6. ПФ - полосовой фильтр.
7. Атт. - аттенюатор.
8. Р - разветвитель.
9. ПК - переключатель.
10. Ант. - антенна.
11. ФНЧ - фильтр нижних частот.
12. СЧ - синтезатор частоты.
Макет РЛС обладает следующими техническими параметрами:
- диапазон частот излучения/приема - от 9 до 13 ГГц;
- длительность формируемых радиоимпульсов - от 3,3 нс до квазинепрерывных;
- дискрет установки длительности импульса - 3,3 нс;
- период повторения радиоимпульсов - от 10 мкс до 1 мс;
- длительность элемента ФКМ, дискрета изменения частоты ЛЧМ - 0,8 нс;
- поляризация в каналах передачи/приема - вертикальная и горизонтальная с независимым управлением по всем четырем антеннам;
- время переключения поляризации антенны - не более 1 мкс;
- выходная мощность в импульсе - до 50 мВт;
- мгновенный динамический диапазон каналов приема - 45дБ;
- динамический диапазон каналов приема с аттенюиро-ванием - до 105 дБ;
- интервал записи принимаемого сигнала - от 1 до 10 мкс;
- полоса частот излучаемого/принимаемого радиосигнала - до 1 ГГц;
- полоса частот перестройки несущей частоты - до 4 ГГц;
- дискрет перестройки несущей частоты - 1 МГц;
- время перестройки несущей частоты - не более 100 мкс;
- напряжение питания -сеть 220 В, 50 Гц;
- потребляемая мощность - до 40 Вт;
- диапазон температур -от -40° до 85° С;
- габаритные размеры -490х420х490.
Важным элементом макета является узел цифровой обработки сигнала. Состав и основные технические характеристики узла ЦОС (см. фото 1) следующие: отладочная плата ML605 (ПЛИС УШехб XC6VLX240T-1FFG1156C), отладочная плата АЦП ADC083000CIYB, отладочная плата ЦАП AD9739BBCZ. Реализован зональный принцип синтеза/анализа сигналов.
- количество разрядов АЦП - 8;
- количество разрядов ЦАП - 14;
- частота дискретизации сигнала в канале синтеза/ анализа - 2,2-2,5 ГГц;
- диапазон частот каналов синтеза/анализа - 10-3000 МГц (с разделением на 3 зоны);
- полоса частот каналов синтеза/анализа - до 1 ГГц;
- номинальная мощность выходного сигнала - 1 мВт;
- максимальная мощность входного сигнала - 1 мВт.
Экспериментальные
исследования и предварительные результаты
На базе ЯВВУ ПВО проводятся экспериментальные исследования в различных направлениях. Так одним из актуальных направлений
Фото 1. Узел цифровой обработки сигналов
является оценка характеристик целей. Для этого проводились эксперименты с использованием макетов целей, выполненных из металлической сетки с ячейкой 2х2 см в виде конуса, цилиндров и их комбинаций. Во всех экспериментах объекты вращались относительно неподвижной РЛС со скоростью примерно 0,5 об/мин в горизонтальной плоскости (см. схему 2).
Первые эксперименты были посвящены проверке разрешающей способности радиолокационной системы. Для этого был получен отклик на зондирующий короткоим-пульсный сигнал в отсутствие цели (см. фото 2 на с. 56).
На развертке индикатора «амплитуда-время задержки» видны всплески на расстоянии 1,8 м и 22 м. Первый всплеск соответствует зон-
Схема 2. Схема эксперимента
РЛС - радиолокационная система, ПУ- поворотное устройство
Фото 2. Развертка индикатора «амплитуда-время задержки» при отсутствии сигнала цели
Фото 3. Развертка индикатора «амплитуда-время задержки» при наличии отраженного сигнала от проводящего цилиндра
Фото 4. Отражения от двух проводящих цилиндров на выходе согласованного фильтра РЛС
дирующему сигналу, проникающему в приемный тракт во время излучения, а второй соответствует отражению от стены помещения, в котором проводился эксперимент.
Далее в качестве радиолокационной цели был выбран проводящий цилиндр длиной 120 см и диаметром 35 см (см. фото 3).
Кружком обозначен всплеск, который соответствует отражению от цилиндра. За счет применения коротких сигналов, длительность которых составляла 3,3 нс, и стро-бирования канала был реали-
зован режим функциональной безэховости, т.е. отраженный сигнал принимался в строго определенное время, при этом мешающие эхо-сигналы в этом временном интервале отсутствовали.
Далее в качестве цели были взяты два проводящих цилиндра длиной 120 см с непроводящим зазором (см. фото 4).
Кружком обведены всплески, которые соответствуют двум цилиндрам. По результатам эксперимента установлено, что РЛС с указанными параметрами обеспечила разрешение объектов с интерва-
лом между ними в 32 см, что говорит о высокой разрешающей способности по дальности.
Экспериментальные исследования возможности повышения
информативности РЛС
В последующих экспериментах объекты исследования вращались относительно неподвижной РЛС с угловой скоростью 1 оборот за 2 минуты в горизонтальной плоскости. Ось вращения располагалась перпендикулярно горизонтальной плоскости на расстоянии 5,4 - 5,6 м относительно фазового центра антенн РЛС. Геометрия эксперимента на сцене обеспечивала режим функциональной безэховости в зоне задержек эхо-сигнала объекта. Во всех экспериментах горизонтальная шкала растровой развертки индикатора - угол поворота объекта, 1 отсчет - 20 угловых минут. Весь сектор - 220 градусов. Зондирующий сигнал на частоте 9,8 ГГц длительностью 3,3 нс без внутри импульсной модуляции. Отраженный сигнал наблюдался на фоне местных предметов (например, на дальности 20-40 отсчетов и более 95-100 отсчетов по шкале дальности (вертикальная шкала, 1 отсчет - 7,5 см) и проникающего в приемный тракт зондирующего сигнала (на дальности 0-20 отсчетов). Принимаемые эхо-сигналы проходили через согласованный фильтр и отображались в виде яркостных амплитудных отметок на растровом индикаторе. Интенсивность амплитуды по нарастанию: темно-синий, желтый, красный.
На фото 5 хорошо наблюдаются отражения от торца цилиндра длиной 1030 мм, диметром 180 мм, с ячейкой сетки 25х23 мм (дальность 60-70 ед., угол поворота 300400 ед.). Отражения от боко-
вых поверхностей цилиндра практически не наблюдается.
Был проведен эксперимент с конусом длиной 175 см при наличии (см. фото 6) и отсутствии (см. фото 7) на нем щелевых антенн. Диаметр основания конуса составлял 50 см. Вращение объекта выполнялось вдоль продольной оси конуса. Конус был подвешен вертикально, вершиной вверх.
На полученных растровых изображениях по характеру отражений хорошо наблюдаются области пространства с рассеивателями, области с низким отношением сигнал/ шум и области с отсутствием (малым значением) эхо-сигнала от детерминированных рассеивателей. Достигнутая в РЛС высокая степень когерентности излучаемых сигналов позволяет планировать эксперименты по поляриза-ционно-фазовому анализу эхо-сигналов, реконструированию радиоизображений объектов, в том числе сложно обнаруживаемых динамических - низкоскоростных маневров, низкоскоростных вращений и низкочастотных вибраций в сложной помехо-вой обстановке.
В сочетании с полнополяриметрическим режимом излучения ожидаем как существенное повышение качества обнаружения и идентификации сложных объектов, так и увеличение помехозащищенности и скрытности РЛС.
Исследования обратного вторичного излучения (ОВИ) показали ярко выраженную изрезанность и смещение лепестков диаграммы ОВИ в зависимости от режимов поляризации передающих и приемных антенн (см. рис. 1 на с. 58 при вертикальной поляризации, см. рис. 2 - при горизонтальной поляризации).
На полученных диаграммах вторичного рассеивания
Фото 5. Амплитудный растровый индикатор. Эксперимент «Цилиндр 13.32.54»
Фото 6. Амплитудный растровый индикатор. Эксперимент «Конус со щелевыми антеннами_12.02.57»
Фото 7. Амплитудный растровый индикатор. Эксперимент «Конус без антенн _12:33:09»
Рис. 1
видна существенная зависимость формы ДОВИ от поляризации, в том числе смещение максимумов лепестков диаграммы рассеяния. Суммарная по всем комбинациям поляризаций диаграмма имеет более широкие основные
Рис. 2
лепестки вторичного излучения (около 500 вместо 200) и менее глубокие провалы (в 4-5 раз), что значительно снижает ракурсную зависимость интенсивности отраженного сигнала и способствует в РЛС увеличению вероятно-
Рис. 3. Результирующая ДОВИ с полной поляризационной обработкой
сти обнаружения объекта и точности и устойчивости его сопровождения по сравнению с монополяризационным вариантом.
Благодаря тому, что макет реконфигурируемый, в перспективе представляется возможным усовершенствовать его до двухдиапазонной радиолокационной системы (например, использовать X- и L-диапазоны). Такой локатор будет иметь ряд преимуществ при использовании в качестве РЛС дистанционного зондирования земли.
Дальнейшее развитие макета основано на совершенствовании технологии изготовления элементов и узлов высокочастотной части РЛС.
Рис. 4. Топология передающих радиотрактов
Схема 3. Структурная схема передающего радиотракта
AOCJY3-10.000MHz
Управление гетеродином, фазовращателями
1-й выход гетеродина приемника
(8.75 ГГц) —►
Выход: 11 дБм
2-й выход гетеродина приемника
(8.75 ГГц) —►
Выход: 11 дБм
Схема 4. Структурная схема узла формирования несущей частоты
Для примера рассмотрим аппаратную реализацию конвертера частоты X - диапазона на основе новой технологии. Это универсальный приемопередающий блок, предназначенный для формирования и приема сигналов в Х-диапазоне и преобразования их на промежуточную частоту. Модуль включает радиогерметичные блоки, в которых располагаются СВЧ платы. Всего имеется шесть блоков: по два передающих и приемных радиотракта, узел формирования несущих частот, блок управления УФНЧ. Предлагаемое решение позволяет сократить значения мас-согабаритных параметров с сохранением высокой электромагнитной развязки, а также совместить функции формирования и преобразования несущих частот, фильтрацию, усиления и излучения радиосигналов в одном модуле. В рамках данного проекта задействованы только передающие тракты и синтезатор частот, поэтому остановимся только на них.
В передающем тракте осуществляется однократное преобразование несущей частоты радиосигнала с помощью двойного балансного смесителя HMC412BMS8GE фирмы AnalogDevices, обладающего значением интермодуляцион-
ных искажений 3-го порядка на выходе 11 дБм. На схеме 3 представлен передающий радиотракт, а на схеме 4 - узел формирования несущей частоты.
Расчетное значение подводимой мощности к каждому диполю 0.6 Вт достигается использованием в передающих антенных модулях усилителей НМС54^Р3Е и HMC952ALP5GE фирмы AnalogDevices, (18, 32 дБм соответственно) и 01Р3 (28, 43 дБм соответственно). Последний имеет встроенный детектор мощности, который позволяет определить значение уровня радиосигнала на входе вентиля. Данное решение позволит выполнить калибровку мощности излучаемого радиосигнала, устранить амплитудное рассогласование между каналами. На рис. 4 показана топология передающих радиотрактов.
Высокая скорость цифровой обработки данных, осуществляемой платой ЦОС, высокая частота дискретизации, которая непосредственно влияет на разрешающую способность, и высокая стабильность работы синтезатора частот - три эти составляющие обеспечивают высокую информативность РЛС, что, в свою очередь, определяет широкие перспективы иссле-
дования и развития сверхширокополосных короткоим-пульсных РЛС.
Применение натурного макета в научных исследованиях позволит оперативно разрабатывать новые и повышать эффективность существующих методов формирования и обработки сигналов, обеспечения помехоустойчивости и помехозащиты систем радиолокации с меньшими экономическими затратами. "«-*
ЛИТЕРАТУРА
1. Зюзин А.В., Кренев А.Н., Туров В.Е., Кабачев Д.С., Погребной Д.С., Фасоляк ЕА. Физическая модель широкополосной полнополяриметрической моноимпульсной радиолокационной станции с нефиксированной конфигурацией. Патент РФ на полезную модель № 139876, 2014.
2. Тенденции и пути внедрения технологии сверхкорот-коимпульсной радиолокации / В.Н. Скосырев, Г.П. Слукин, Е.М. Ильин. - М.: Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Приборостроение», 2009.
3. Информационные технологии в радиотехнических системах / под ред. Федорова. - М.: Изд. МГТУ им. Баумана, 2003.
4. Проектирование на ПЛИС. Курс молодого бойца / Клайв Максфилд. - М.: Додэка XXI, 2007.
