Increasing the range of passive radar systems, operating on signals of telecommunications sources

Full Text

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 накопления Рисунок 2. Схема расположения 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: где: - принятый сигнал, отраженного от радиолокационной цели, - опорный сигнал, fft - прямое преобразование Фурье, - обратное преобразование Фурье, * - коплексное сопряжение, n - номер дискретного отсчета сигнала. Результирующая оценка ВКФ формируется путем когерентного суммирования полученных частных оценок: где: N - количество оценок ВКФ, - оценка ВКФ по i-му символу. Реальные радиолокационные цели движутся, это приводит к сдвигу частоты отраженного от радиолокационной цели сигнала, обусловленному эффектом Доплера [5]. Сдвиг частоты для бистатической системы определяется выражением [5]: где: - частота сигнала, - вектор скорости радиолокационной цели, углы и поясняются на рисунке 2. На рисунке 2 обозначено: R - расстояние между передатчиком и пассивной РЛС, - расстояние между передатчиком и радиолокационной целью, - расстояние между пассивной РЛС и радиолокационной целью. Запишем уравнение сигнала, отраженного от радиолокационной цели и принятого пассивной РЛС, , где: - излученный сигнал, - 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 , где M - количество каналов в банке фильтров (рисунок 3). Сигнал на каждом из выходов фильтра определяется выражением: … , Значение и количество коэффициентов 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. 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…M). 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]: , где: - мощность передающей антенны, - коэффициент усиления передающей антенны, - коэффициент усиления приемной антенны, - ЭПР радиолокационной цели, - мощность радиосигнала, отраженного от радиолокационной цели, - 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 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. Рисунок 5. Зависимость отношения сигнал/шум отраженного от радиолокационной цели сигнала от времени накопления Рисунок 6. Зависимость эффективной дальности действия пассивной РЛС ( ) от времени накопления Также приведена зависимость эффективной дальности действия от времени накопления при точном устранении доплеровского сдвига частоты (рисунок 6). Эффективная дальность действия ( ) для бистатической системы определяется выражением [7]: , где: - постоянная Больцмана, - потери энергии при распространении до РЛЦ, - потери энергии при распространении после отражения от РЛЦ, - шумовая полоса приемника, - отношение сигнал/шум, необходимое для обнаружения сигнала, - потери при передаче сигнала, - потери при приеме сигнала, - 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 и , 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).

About the authors

E. V. Rogozhnikov

Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics

Email: raliens@mail.ru
+7 382 241-34-78

E. P. Velikanova

udzhon@mail.ru

Email: udzhon@mail.ru
Ph.D.; +7 382 241-34-78

A. A. Shipelgut

Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics

Email: shibelgut@gmail.com
+7 382 241-34-78

E. P. Voroshilin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: voroshilin@mami.ru
Ph.D.; +7 495 223-05-23

References

Supplementary files