Реферат Повышение эффективности защиты от боеприпасов с радиовзрывателями на основе реализации методов
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
НА
iv
ОБЛАСТНОЙ КОНКУРС НАУЧНЫХ РАБОТ
ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Павлов Сергей Викторович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТЫ ОТ БОЕПРИПАСОВ С РАДИОВЗРЫВАТЕЛЯМИ НА ОСНОВЕ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДОВ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В СТАНЦИИ ПОМЕХ РАДИОВЗРЫВАТЕЛЯМ
4 курс физического факультета
Кафедры Радиофизика
.
Научный руководитель
Зайцев А.Н.
Воронеж
2010
СОДЕРЖАНИЕ
| | Содержание | |
| | Список сокращений……….……………………………………...… | 3 |
| | Введение………………………………………………....……….…. | 4 |
| 1. | Радиоэлектронная защита подразделений и частей от боеприпасов с радиовзрывателями…………………………….…. | 6 |
| 1.1. | Общая характеристика принципов защиты от боеприпасов с радиовзрывателями …………………………………….……….. | 6 |
| 1.2. | Основные характеристики станции помех СПР-1 ……………….. | 9 |
| 1.3 | Задачи и объекты радиоэлектронного подавления …..………….. | 12 |
| 1.4. | Оценка зоны прикрытия станцией помех СПР-1…………………. | 14 |
| 1.5. | Методика выбора позиций станций помех радиовзрывателям….. | 16 |
| 2. | Анализ основных способов увеличения дальности действия радиотехнических систем……………………………………… | 18 |
| 2.1. | Анализ известных способов увеличения дальности радиоизлучателя…………………………………………………………………… | 18 |
| 2.2 | Основы пространственно-временной обработки | 19 |
| 2.3 | Практические результаты ФАР и ААР | 22 |
| 3 | Обоснование предложений по увеличению дальности действия СПР…………………………………………………………………. | 28 |
| 3.1 | Разработки аналитической модели | 28 |
| 3.2 | Разработка алгоритма для иммитационной модели | 34 |
| | Заключение | 39 |
| | Список использованной литературы | 40 |
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АР – антенная решётка
ААР – адаптивная антенная решётка
ААС – адаптивная антенная система
АС – антенная система
ВВК – вектор весовых коэффициентов
ДН – диаграмма направленности
ПВОС – пространственно временная обработка сигналов
ПДУ – пульт дистанционного управления
РВ - радиовзрыватель
РЭБ – радиоэлектронная борьба
РЭО – радиоэлектронная обстановка
СП – станция помех
СПР – станция помех радиовзрываетлям
УО – усилитель-ограничитель
УП – узел памяти
УФС – устройство формирования сигнала-помехи
ФАР – фазированная антенная решётка
ФВЧ – фильтр высоких частот
ВВЕДЕНИЕ
В современных условиях общевойсковой бой характеризуется широким использованием различного рода средств поражения, сложностью и высоким динамизмом действий. Это обусловливает важность временного фактора при принятии решения и организации управления силами и средствами. Как следствие, возрастает роль системы связи, как важнейшей составной части системы управления. В условиях современной войны большое внимание уделяется борьбе за информационное превосходство. Поэтому в современном бою все большую значимость приобретает радиоэлектронная борьба (РЭБ) [1, 4].
В настоящее время радиоэлектронная борьба является одним из важнейших видов обеспечения современных боевых действий, включающий в себя целенаправленное воздействие электромагнитными излучениями на радиоэлектронные объекты в системах управления противника для разрушения циркулирующей в них полезной информации, защиту своих радиоэлектронных систем от воздействия неприятеля, снижение возможностей по разведке и поражению ракетных комплексов, самолетов и кораблей вражеским высокоточным оружием [4].
В условиях современного общевойскового боя важнейшей является задача защиты личного состава и техники артиллерийских подразделений. Для этого используются станции (СП) помех радиовзрывателям (РВ).
Настоящая работа посвящена обоснованию предложений по повышению эффективности СП РВ по показателю дальности действия (площади обслуживания) на основе реализации методов пространственно-временной обработки сигналов.
В первом разделе работы рассмотрены основные приципы защиты от боеприпасов с радиовзрывателями, построения и применения станций помех радиовзрывателям, рассмотрены основные харрактеристики станций помех радиовзрываетелей на примере СПР-1.
Во втором разделе проанализированы основные способы повышения дальности дейтсвия радиосистем, площади обслуживания одной СП РВ. Рассмотрены методы пространственно-временной обработки и проведена оценка возможности их применения для повышения эффективности СПР.
В третьем разделе предложены способы адаптивного обнаружения сигнала, способы оптимизации работы СПР. Разработана аналитическая модель антенной решётки для СПР. Разработан алгоритм работы эмитационной модели, проанализированны полученные результаты, сделаны выводы о приемуществах и недостатках предложенного алгоритма работы.
1. РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ ЗАЩИТА ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ И ЧАСТЕЙ ОТ БОЕПРИПАСОВ С РАДИОВЗРЫВАТЕЛЯМИ
1.1. Общая характеристика принципов защиты от боеприпасов с радиовзрывателями
Известно, что при разрыве снаряда на поверхности большая часть его заряда расходуется на создание воронки и, кроме того, большая часть убойных элементов разлетается под большим углом к поверхности земли, что приводит к резкому снижению эффективности применения снарядов по живой силе, особенно находящейся на открытой местности, в траншеях, окопах, открытых щелях и небронированных объектах. Для повышения эффективности снарядов применяются радиовзрыватели, которые подрывают их на определенной высоте над поверхностью земли. При этом зона поражения убойными элементами значительно увеличивается [2].
Радиовзрыватель представляет собой радиотелемеханическую систему, предназначенную для выработки разовой команды на подрыв боевого заряда, которым снабжен артиллерийский или другой боеприпас. Радиовзрыватели выполняются так, чтобы момент взрыва был наиболее выгодным для поражения цели. В случае ненаправленного боевого заряда, применяемого для поражения открыто расположенных объектов и личного состава, момент взрыва должен соответствовать моменту достижения снарядом некоторой дальности, не превышающей поражающего действия боевого заряда. В этом случае в процессе сближения снаряда с объектом поражения РВ должен контролировать дальность между снарядом и целью.
Все радиовзрыватели по месту формирования команды подрыва можно различать по некоторым признакам: диапазон частот, вид модуляции зондирующего сигнала, принцип построения, объект установки. Источник радиоизлучения, в параметрах радиосигнала которого заложена информация о дальности до объекта, может находиться как на борту снаряда, так и на пункте управления или даже на самой цели.
В артиллерийских снарядах и минах применяются РВ, которые имеют свой источник радиоизлучения. Такие РВ называют активными. В момент достижения параметров радиосигнала, по которому контролируется дальность до цели пороговой величины (как правило, это уровень сигнала, отраженного от объекта поражения или земной поверхности, может быть время задерхки отраженного сигнала), решающее устройство РВ выдает команду на исполнительное устройство – электрокоординатор [2].
Проведенный анализ факторов, существенных для РП РВ позволил сформулировать ряд требований к техническим решениям, которые положены в основу принципов построения станции помех. Основными из них являются:
- минимизация времени обслуживания одного РВ;
- минимизация времени поиска радиоизлучений радиовзрывателей;
- обеспечение условий накопления «ложного» сигнала на РВ;
- обеспечение энергетических условий РП РВ;
Минимизация времени поиска радиоизлучений и обслуживания РВ определяется следующим образом. На входе подсистемы разведки станции помех будет присутствовать поток радиоизлучений РВ артиллерийских снарядов, применяемых по прикрываемому объекту. При этом эти РВ работают на разных частотах в широком диапазоне частот. Создание им помех одновременно во всем диапазоне проблематично в силу необходимости значительных энергетических затрат, поэтому возникает задача обслуживания каждого РВ за время его полета от точки введения до высоты безопасного подрыва. Таким образом, станция помех должна работать циклически
где
В то же время должна быть обеспечена максимальная пропускная способность станции помех по обслуживанию всех РВ за ограниченное время. Такая задача может быть решена при минимизации времени обслуживания одного РВ за счет реализации ретранслированной ответной преднамеренной помехи. Подобное решение исключает временные затраты на измерение параметров сигнала и настройку передатчика. Для формирования ретранслированной помехи необходимо настроить радиоприемное устройство на частоту радиоизлучения РВ, реализовать накопление (запоминание) радиоизлучения и его излучение.
Для решения этой задачи на вооружении имеется автоматическая станция активных помех СПР-1 (1Л21) [2, 3], применительно к которой далее рассмотрены принципы построения СП РВ артиллерийских боеприпасов типа. Реализация ретранслированной помехи предполагает создание на входе РВ ложной информации о значении доплеровской частоты, при которой осуществляется подрыв снаряда, то есть необходимо обеспечить излучение сигнала (помехи) на частоте, сдвинутой на
где
Как и в любой станции помех, в станции помех радиовзрывателям необходимо наличие 3-х основных подсистем [3]:
-подсистемы радиоразведки (обнаружения сигнала РВ);
-подсистемы подавления (РП);
-подсистемы управления.
Основными задачами подсистемы обнаружения являются:
-прием сигналов РВ;
-выделение из входного потока радиоизлучений РВ на входе антенны (в режиме приема), излучение обслуживаемого РВ;
-определение рабочей частоты РВ, необходимой для формирования ответной помехи и настройки подсистемы подавления.
Основу подсистемы обнаружения составляют радиоприемное устройство (РПрУ), которое представляет собой приемник прямого усиления, и логопериодическая антенна (ЛПА).
Для повышения пропускной способности весь диапазон рабочих частот на п участков РПУ разделяется канальными фильтрами, образующими так называемую частотно-избирательную систему (ЧИС) (см. рис. 1.1).
Рис. 1.1. Разбиение диапазона работы РВ на n участков канальными фильтрами для повышения пропускной способности СП (для СПР-1)
Полоса пропускания каждого канального фильтра выбирается из условия маловероятной одновременной работы в ней более одного РВ артиллерийских снарядов при их массовом применении.
1.2. Основные характеристики станции помех СПР-1
Станция помех СПР-1 обеспечивает подрыв боеприпасов с радиовзрывателями в диапазоне рабочих частот (180 -305 МГц). Весь диапазон разбит на 10 поддиапазонов шириной 12 -13 МГц каждый.
Основными задачами подсистемы подавления являются [2, 3]:
-формирование спектра сигнала-помехи на частоте работы РВ;
-усиление мощности сформированной помехи до требуемого уровня;
Основу подсистемы
-подавления составляют: устройство формирования сигнала-помехи (блок-формирователь сигнала);
-усилитель мощности и антенный переключатель.
Устройство формирования сигнала-помехи (УФС) рассмотрим на примере станции помех СПР-1. Обобщенная структурная схема УФС представлена на рис. 1.2.
Рис 1.2. Устройство формирования сигнала-помехи
В схеме можно выделить следующие основные тракты:
-тракт усиления и запоминания сигнала РВ (усилитель Ус1, узел памяти УП, усилитель Ус2);
тракт модуляции и коммутации сигнала (модулятор Мод, усилитель УсЗ, коммутатор, ФВЧ, усилитель-ограничитель УО, устройство контроля наличия сигнала УКНС).
Узел памяти (УП) предназначен для запоминания (а точнее накопления или задержки) принятого сигнала РВ на время интервала накопления и последующего воспроизведения задержанного сигнала в течение интервала излучения помехи.
В СПР-1 основу узла памяти составляют 3 ультразвуковые линии задержки и коммутирующие их электронные коммутаторы.
Модулятор предназначен для формирования спектра сигнала-помехи, а точнее для формирования сетки ложных доплеровских частот с целью обеспечения их наличия в спектре излучаемой помехи.
Коммутатор предназначен для предотвращения просачивания сигнала РВ на вход усилителя мощности во время его запоминания и обеспечения прохождения задержанного сигнала в момент его излучения.
Усилитель-ограничитель предназначен для усиления сформированного сигнала-помехи, ослабленного фильтром ФВЧ, а также детектирования его с целью подачи на УКНС.
Устройство контроля наличия сигнала ГУ КНР предназначено для формирования контрольного сигнала, позволяющего осуществлять визуальный контроль (свечение светодиода) подавления сигнала РВ в данном частотном канале.
С выхода усилителя-ограничителя сформированный сигнал-помеха поступает на усилитель мощности, где усиливается до требуемого уровня мощности (для 1Л21 не менее 5 Вт), и через логопериодическую антенну (работающую в режиме передачи) излучается на подавление.
Основными задачами подсистемы управления являются:
-обеспечение управления аппаратурой станции помех в ходе ее функционирования;
-управление режимами функционирования станции помех;
-обеспечение совместного функционирования аппаратуры в ходе ведения разведки и подавления.
Основу подсистемы управления составляют:
-блок управления;
-пульты дистанционного управления.
Пульты дистанционного управления (ПДУ) позволяют оператору станции помех осуществлять:
-включение (выключение) электропитания аппаратуры станции;
-контроль нестабилизированных напряжений питания;
-включение (выключение) режимов работы (контроль, излучение) станции помех;
-визуальный контроль наличия помехового сигнала в ходе РП.
Блок управления предназначен для формирования сигналов управления, управляющих работой комплектов приемопередающих блоков. Основу блока управления составляет генератор временных интервалов, который в режиме поиска сигнала РВ формирует тактовые импульсы, осуществляющие поочередную коммутацию фильтров ЧИС к приемному тракту. При этом происходит последовательный опрос канальных фильтров ЧИС на предмет наличия в них сигнала РВ; в режиме наличия сигнала (радиоподавления РВ) формируется последовательность импульсов, определяющих цикл работы СПР, в ходе которых чередуются интервалы накопления (запоминания) сигнала РВ и его последующая ретрансляция (излучение).
1.3. Задачи и объекты радиоэлектронного подавления
Станции помех типа СПР решают задачу защиты объектов общевойсковых (танковых) соединений и частей от поражения артиллерийскими снарядами и минами противника путем радиоэлектронного подавления радиовзрывателей, что обеспечивает их преждевременный подрыв на безопасной высоте или переход на ударное действие (блокирование).
С помощью артиллерийских снарядов и мин с РВ противник, как правило, решает задачи поражения:
-живой силы, расположенной вне укрытий и в открытых траншеях;
-небронированной и легкобронированной боевой техники;
-артиллерийских, минометных и реактивных систем залпового огня на боевых позициях;
-командных и наблюдательных пунктов, узлов связи, средств разведки и управления артиллерийским и минометным огнем.
Радиовзрыватели используются в артиллерийских снарядах калибров от 75 мм до 203,2 мм, минах от 60 мм до 106,7 мм.
Радиоэлектронное подавление РВ снижает в 2 - 10 раз эффективность применения артиллерии противника при поражении наземных целей [4].
Целями радиоэлектронного подавления станций помех СПР-1 являются автодинные одночастотные радиовзрыватели с непрерывным излучением зондирующего сигнала.
Автодинный РВ представляет собой высокочастотную часть – автодин (приемопередатчик) и низкочастотную часть – усилитель доплеровских частот, нагруженный на пороговое устройство. Автодин излучает через антенну непрерывный высокочастотный сигнал. При приближении к объекту (поверхности земли) на вход автодина поступает отраженный сигнал, приводящий к формированию на его выходе сигнала доплеровской (разностной) частоты. Амплитуда этого сигнала нарастает по мере приближения РВ к объекту (поверхности земли), и при достижении заданного уровня происходит срабатывание взрывателя.
В доплеровских РВ используются два типа антенн - антенна «колпачок – корпус», которую обычно называют корпусной, и рамочная антенна. Максимум излучения корпусной антенны направлен примерно перпендикулярно к оси боеприпаса, а минимум – вдоль его оси. Максимум излучения рамочной антенны направлен или по оси боеприпаса или под небольшим углом к ней. Поэтому рамочные антенны, как правило, применяются в РВ, предназначенных для подрыва мин, а корпусные антенны - в РВ, предназначенных для. подрыва артиллерийских снарядов.
1.4. Оценка зоны прикрытия станцией помех СПР-1
Определим основные энергетические соотношения при подавлении доплеровских радиовзрывателей (РВ) по методике, описанной в [3].
Плотность потока мощности, создаваемая СПР на удалении Rп от антенны в сторону РВ, равна
где
Например, для СПР1
Плотность потока мощности излучения РВ, отраженного от земной поверхности (при допущении, что отражение от земли зеркальное), у приемной антенны взрывателя можно найти как
где
Как правило, при расчетах полагают
Мощность сигнала (помехи) на входе приемника, можно определить как
Следует помнить, что для обеспечения формирования в спектре низких частот, соответствующих F, - пороговой доплеровской частоте для подрыва боеприпаса, в СПР применяется фазовая манипуляция ретранслированного сигнала, которая приводит к расширению спектра помехи. Данное обстоятельство учитывается тем, что определяется отношение не мощностей, а удельных мощностей помехи и сигнала на входе РВ. С использованием формул (1.3)–(1.5), получим
Подрыв боеприпаса производится в случае, когда частота отраженного от земли сигнала начинает превышать на Fд частоту излученного, при этом его уровень достигает значении, соответствующих высоте 3 - 30 м. Следовательно, подрыв РВ при излучении помехи произойдет на таком удалении, при котором уровень помехи примет значение, равное уровню сигнала при высоте подрыва Н= 3-30м. Поэтому из (1.6) можно вычислить Rп приравняв при этом
Зона прикрытия станции помех имеет форму овала, вытянутую в направлении максимума диаграммы направленности антенны, с размерами 750-500 м (при расположении станции в капонире, 700-400 м - на ровной площадке и 600-300 м - на возвышенной площадке). Наиболее целесообразно станцию располагать в капонире (в окопе) или на ровной площадке.
При этом для обеспечения максимальной зоны прикрытия целесообразно антенны станции (сектор создания помех) ориентировать в направлении стрельбы при подавлении РВ с рамочными антеннами и в перпендикулярном направлению стрельбы при подавлении РВ корпусной антенной.
При отсутствии сведений о типе антенной системы подавляемых РВ (типа применяемых боеприпасов - мин или снаряда при обстреле прикрываемых станцией помех объектов) направление создания помех должна доставлять по отношению к направлению стрельбы угол примерно 45°.
1.5. Методика выбора позиций станций подрыва радиовзрывателей
При выборе расположения станции относительно прикрываемого объекта необходимо учитывать [3]:
-характер и размеры прикрываемого объекта;
-величину и форму зоны прикрытия ожидаемый сектор обстрела;
-разведывательные и информационные данные о типах и характеристиках РВ, которые противник может использовать для стрельбы;
-требования по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС);
-характер местности и метеорологические условия, возможность укрытия и маскировки станции.
Для прикрытия объектов, расположенных на дальности от линии соприкосновения войск (ЛСВ) более 3-4 км (в зоне досягаемости только гаубиц и пушек противника), целесообразно станцию помех радиовзрывателям располагать на фланге впереди прикрываемого объекта, ориентируя ее антенну в сторону объекта прикрытия под углом 90° к середине ожидаемого сектора обстрела противника. В отдельных случаях с целью обеспечения ЭМС с другими станциями помех и РЭС группировки войск возможна установка антенны станции под различными углами в пределах от 90° до 45°; установка антенн под углом 45° нецелесообразна.
Для прикрытия объектов, находящихся в зоне досягаемости только огня минометов противника (на удалении от ЛСВ до 3-4 км), целесообразно станцию помех располагать позади прикрываемого объекта, ориентируя ее антенну в направлении середины ожидаемого сектора обстрела.
Для прикрытия объектов, которые могут быть подвергнуты огневому воздействию минометов, гаубиц и пушек противника (на удалении от ЛСВ до 3-4 км), целесообразно станцию помех располагать на фланге впереди прикрываемого объекта, ориентируя ее антенны под углом примерно 45° к середине ожидаемого сектора обстрела.
Выводы:
Проведенный анализ показал, что для защиты артиллерийских подразделений от боеприпасов с радиовзрывателями широко используются станции помех радиовзрывателям. При этом радиоэлектронное подавление радиовзрывателей снижает в 2 - 10 раз эффективность применения артиллерии противника при поражении наземных целей. Однако дальность действия (площадь прикрытия) таких станций помех не удовлетворяет современным требованиям. Поэтому тема работы, направленная на обоснование предложений по увеличению дальности действия станций помех радиовзрывателям является актуальной.
2. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ СПОСОБОВ УВЕЛИЧЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
2.1. Анализ известных способов увеличения дальности радиоизлучателя
Тенденция постоянного усложнения радиоэлектронной обстановки, в которой функционируют военные системы связи, обусловливает разработку эффективных мер и устройств повышения радиуса дальности работы СП РВ.
Известно, что информация, подлежащая передаче по каналу связи и выраженная в определенной форме, называется сообщением. Физическим носителем, переносчиком сообщения является сигнал (в радиотехнике – радиосигнал). Электромагнитные процессы, которые не содержат информации (шумы) или содержат информацию, не интересующую данного корреспондента, являются для него помехами. Дальность действия радиотехнической системы определяется расстоянием, на котором полезный сигнал на фоне помех принимается и регистрируется с качеством не хуже требуемого. Поэтому дальность действия радиоизлучателя определяется расстоянием от него, на котором отношение сигнал/шум не ниже некоторого уровня, определяемого требуемым качеством приема. Очевидно, что дальность действия радиоизлучателя может быть увеличена за счет увеличения уровня сигнала или уменьшения уровня шумов [11, 12].
Уровень шумов, как правило, не зависит от пользователя радиотехнической системы, хотя и может быть уменьшен за счет рационального выбора районов размещения СП РВ с низким уровнем шумов (естественных и промышленных). Как правило, возможности такого выбора для СП РВ ограничены, поскольку станции располагаются совместно с прикрываемыми объектами. Увеличения уровня сигнала на входе радиоприемника можно достичь двумя путями: 1 – увеличением мощности передатчика и 2 – увеличением коэффициента усиления передающей антенны в направлении радиоприемника.
Регулирование мощности излучаемого радиосигнала является одной из наиболее простых мер повышения дальности действия. Применение такого подхода приводит увеличению потребляемой мощности, что влечет за собой увеличение массогабаритных характеристик источника электроэнергии. Для СП РВ это может быть неприемлемым по причине снижения ее мобильности и увеличению расхода горюче-смазочных материалов.
Добиться увеличения коэффициента усиления можно за счет применения узконаправленных антенн. Остронаправленные антенны широко используются при организации связи по радионаправлениям. В станциях помех радиовзрывателям применение остронаправленных антенн приведет уменьшению сектора обзора, что снизит размеры зоны прикрытия от боеприпасов с радиовзрывателями. Как вариант разрешения указанного противоречия – применение в качестве передающих антенных систем (АС) фазированных антенных решеток, обеспечивающих управление положением главного лепестка ДН антенны и регулирование коэффициента усиления по главному лепестку. Использование методов пространственно-временной обработки может обеспечить управление формой диаграммы направленности (ДН) и синтезировать широкую диаграмму на фазе обнаружения боеприпасов с радиовзрывателями ми узкую с большим коэффициентом усиления на фазе излучения помехи.
2.2. Основные положения пространственно-временной обработки
Для приема и передачи сигнала используются различные антенные системы. Рассмотрим некоторые из них: фазированные антенные решетки (ФАР), адаптивные антенные решетки (smart антенны).
Отмечалось, что число каналов ААС определяется количеством антенных элементов, составляющих антенную решетку. Применение AAC позволяет управлять формой диаграммы направленности. Размещение элементов в решетке (соотношения длины волны
Рис. 2.1. Конструкции антенных решеток:
а – линейная, б – плоскостная, в – объемная, г – кольцевая.
Для упрощения анализа плоскостную АР иногда рассматривают, как совокупность линейных. Аналогично, объемную решетку можно представить совокупностью плоскостных решеток.
Линейные АР нашли наиболее широкое распространение в ААС, предназначенных для пространственной дискриминации помех подвижным средствам радиосвязи диапазона УКВ. Это обусловлено тем, что в диапазоне УКВ, как правило, решается задача дискриминация сигналов ИРИ только в азимутальной плоскости. Линейная N – элементная АР обладает N-1 степенью свободы. Под термином «степень свободы» понимают число независимо управляемых нулей или максимумов результирующей ДН. Линейные решетки из ненаправленных АЭ имеют симметричную относительно оси решетки ДН, что в ряде случаев снижает их эффективность (например, когда направление на источник помех симметрично направлению на источник сигнала).
Плоскостная АР обеспечивает формирование ДН по азимуту и углу места за счет создания соответствующих фазовых сдвигов в каналах АЭ в столбцах и строках. При практическом применении плоскостной ААС необходимо обеспечить, чтобы лучи, сформированные по элементам столбцов и строк пересекались. Основным достоинством плоскостной АР является возможность формирования лучей ДН конической формы. Плоскостная решетка формирует два остронаправленных луча, симметричных относительно ее плоскости. Симметричный луч может быть устранен за счет выбора характеристик направленности АЭ, составляющих АР, либо использования рефлектора.
Кольцевая АР представляет собой плоскостную АР, элементы которой разнесены в пространстве относительно оси решетки на одинаковое расстояние, образуя так называемое «кольцо». Кольцевая АР, также как и плоскостная АР, обеспечивает формирование ДН по азимуту и углу места за счет создания соответствующих фазовых сдвигов в каналах АЭ в столбцах и строках.
Прогноз развития техники средств связи на основе экстраполяции от современного уровня с учетом конечности радиочастотного спектра и ограниченности традиционных источников энергии позволяет, в частности, ожидание использования АР с обработкой радиосигналов, обеспечивающих наиболее эффективное использование радиочастотного спектра. В качестве АР для осуществления ППО могут выступать: линейные, плоскостные, объемные и кольцевые решетки. Наибольший интерес имеют кольцевые АР, за счет своего основного достоинства: устранение неоднозначности определения направления на ИРИ в плоскости, совпадающей с плоскостью решетки.
2.3 Практические результаты исследования ФАР и ААР
В ходе работы были получены формулы и построены диаграммы направленности следующих антенных решеток с помощью среды программирования «Mathcad»:
Эквидистантная линейная ФАР
| |
| |
Рис. 2.2. Диаграмма направленности линейной эквидистантной ФАР
Эквидистантная кольцевая ФАР
| |
| |
Рис.2.3. Диаграмма направленности кольцевой эквидистантной ФАР
Неэквидистантная линейная ФАР
| |
| |
Рис. 2.4. Диаграмма направленности линейной неэквидистантной ФАР
Адаптивная решетка, работающая по алгоритму Лагранжа
Рассмотрим математическое решение задачу минимизации диаграммы направленности при известном помеховом направлении.
Оптимизация при наличии ограничений представляет группу методов, именуемую в литературе методами штрафных функций. Различают два вида ограничений: 1) ограничения в виде равенств, 2) ограничения в виде нестрогих равенств и неравенств.
Оптимизация при наличии ограничений в виде равенств.
Требуется найти минимум целевой функции
при наличии ограничений
Методы штрафных функций делятся на а) параметрические , б) непараметрические.
В параметрических методах ограничения комбинируются ( суммируются, умножаются и т.д. ) с целевой функцией с применением некоторых параметров, входящих в качестве весовых коэффициентов в расширенную целевую функцию.
Итак, необходимо решить задачу минимизации функции (1) при наличии ограничений (2). Вводится расширенная (присоединенная) функция
Здесь
-
-
решается совместная система уравнений
Система уравнений (4) – (6) решается численными методами. Решение расширенной системы из n+p уравнений (4) - (6) для вычисления (x*,l) необходимо проверить, найден ли минимум или максимум при данных значениях l. Для этого вычисляется матрица Гессе ( матрица вторых частных производных
Результаты оптимизации диаграммы направленности (в полярной и декартовой системах координат) представлены на Рис.8 и 9:
| |
Рис.2.5. Диаграмма направленности адаптивной ФАР
в декартовой системы координат
| |
Рис.2.6. Даграмма направленности адаптивной ФАР
В полярной системе координат
Выводы:
- В случае, если известно направление, с которого ожидается нападение, целесообразно за основу взять эквидистантную линейную ФАР. Такая диаграмма направленности (с выделенным одним направлением) является оптимальной при работы антенны на излучение сигнала;
- Для ослабления боковых лепестков возможно использовать неэквидистантную ФАР с регулярным законом распределения излучающих элементов;
- В случае, если неизвестно направление, с которого ожидается нападение, целесообразно использование кольцевой эквидистантной ФАР. Такая диаграмма направленности (лепестки направлены равномерно в разные стороны) оптимаьна при работе антенны на прием сигнала
- Рассмотрен один из способов оптимизации при известном помеховом направлении.
Очевидно, что для оптимальной работы СПР необходим следующий алгоритм работы антенны:
1) При приеме сигнала антенна работает так, что ее диаграмма направленности распределена равномерна по всем направлениям.
2) При излучении сигнала антенна работает так, что ее диаграмма направленности имеет один лепесток в направлении излучения сигнала.
3) Если известно помеховое направление, то на протяжении всей работы антенны необходимо реализовывать максимизацию главного лепестка диаграммы направленности в данном направлении.
3. ОБОСНОВАНИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО УВЕЛИЧЕНИЮ ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ СПР
3.1. Разработка аналитической модели
Перед созданием компьютерной имитационной модели управления ДН адаптивной АС панорамного радиоприемника, необходимо описать аналитическую модель. Далее модель проверяется в математической программной среде MathCAD, при адекватности полученных результатов разрабатывается алгоритм реализации модели в среде программирования.
В качестве варианта построения ААС выберем систему, использующую кольцевую АР, АЭ которой идентичны и всенаправленные (см. рис. 3.1).
Рис. 3.1. Иллюстрация основных соотношений для определения фазовых сдвигов в кольцевой АР
Сигнал, поступающий на АР, на каждом k – том элементе АР имеет фазу, которая отличается на
где
Следует выделить два этапа функционирования предлагаемой ААР [15]. Первый этап контроля, на этом этапе в заданном секторе пространства формируется широкая ДН, при обнаружении сигнала в заданном секторе система переходит на второй этап оценивания, на котором происходит формирование узкой ДН в направлении обнаруженного сигнала, после оценки сигнала и его записи, система возвращается на этап контроля. Далее рассмотрим подробнее аналитику функционирования системы.
Широкая ДН достигается за счет формирования ВВК с использованием опорного вектора, который получают на основании исходных данных, устанавливаемых оператором, таких как азимуты
где
На основании фазовых сдвигов вычисляются векторы сигналов:
где
–ом АЭ.
Для обеспечения возможности обработки информации, заложенной в набеге (сдвиге) фазы, необходимо сформировать (вычислить) корреляционную матрицу сигналов, поступающих на АС, элементы которой являются функциями взаимной корреляции (а в диагональных элементах - автокорреляции) сигналов в соответствующих АЭ [16]. Формирование корреляционной матрицы осуществляется операцией комплексного умножения векторов сигналов на эрмитово сопряженные вектора:
где
k – отклик сигнала в одном АЭ; + - знак Эрмитова сопряжения.
Одновременно с сигналами на выходе АС присутствуют шумы, корреляционная матрица которых имеет следующий вид:
где
Введем определение ковариационной матрицы, являющейся корреляционной матрицей нормированной к мощности шумов РШ.
Для рассматриваемого случая ковариационная матрица на выходе формирователя при наличии M сигналов РЭС имеет вид:
В общем случае ковариационная матрица входного сигнала имеет вид:
где
Для трехэлементной АР ковариационная матрица одного сигнала без шумов имеет вид:
где q
i
=P
i
/Pш..
Оптимальный вектор весовых коэффициентов
где
Управление положением главного лепестка ДН в направлении контролируемого сектора осуществляется направляющим вектором с помощью опорного вектора
где
На основе разработанной аналитики модель функционирует на первом этапе контроля в заданном секторе с помощью формирования широкой ДН. На этапе оценки сигнала формирование узкой ДН в направлении обнаруженного сигнала происходит на основе анализа разностной ковариационной матрицы входных воздействий.
Очевидно, что матрица Фхх является функцией времени, поскольку сигналы РЭС имеют конечную длительность. Сравнение ковариационных матриц, сформированных на соседних временных интервалах, позволяет получить разностную ковариационную матрицу, элементы которой содержат информацию о параметрах появившегося или пропавшего сигнала. Разностную матрицу можно вычислить по формуле [16]:
где t - длительность временного интервала, на границах которого формируются матрицы для сравнения.
Длительность интервала t должна удовлетворять двум противоположным требованиям: интервал t должен быть настолько малым, чтобы количество сигналов на входе АР не изменилось более чем на один, но достаточным, чтобы вычислить разностную матрицу. Поэтому численное значение интервала t зависит от условий РЭО и технических характеристик устройства, реализующего алгоритм поиска.
В результате выполнения операции (3.12) возможны три исхода [16]:
1. За время t число сигналов, воздействующих на АР, не изменилось – L(t) = L(t-t), тогда D
Фхх является нулевой матрицей.
2. За время t число воздействующих на АР сигналов уменьшилось на один: L(t)-L(t-t) = -1. Тогда D
Фхх является отрицательной матрицей.
3. За время t число воздействующих на АР сигналов увеличилось на один: L(t)-L(t-t) = 1. В этом случае D
Фхх положительна.
Поскольку значение интервала t выбрано так, что вероятность появления или исчезновения более чем одного сигнала за этот промежуток времени пренебрежимо мала, то разностная матрица представляет собой корреляционную матрицу появившегося или исчезнувшего сигнала. При этом знак матрицы позволяет определить: появился сигнал или исчез. Элементы матрицы содержат информацию о признаках этого сигнала: частоте, ширине спектра, амплитуде, направлении прихода. Направление на обнаруженный сигнал может быть вычислено путем анализа (3.12) и использования (3.8).
Сведения о направлении необходимы для определения нового направляющего вектора
Далее требуемые показатели результирующей ДН определяются вновь сформированным ВВК
Таким образом, для устранения неоднозначности направления принимаемого сигнала, выбирается вариант ААС в виде кольцевой АР. Формирование и обработка корреляционных матриц позволяет принять решение об обнаружении ИРИ, а вычисленные параметры сигнала определяют направляющий вектор, с помощью которого осуществляется управление формой ДН.
3.2. Разработка алгоритма для работы имитационной модели
Полученная аналитическая модель позволяет решить поставленную задачу и приступить к разработке алгоритма программной модели адаптивной антенной системы. Основным требованием к алгоритму является возможность управления формой ДН АС панарамного обнаружителя в зависимости от текущей РЭО. Он должен обеспечивать широкий лепесток ДН на этапе контроля и формирование узкого лепестка в направлении обнаруженного источника радиоизлучений на этапе оценивания.
Первоначальным шагом в реализуемом алгоритме определен ввод следующих исходных данных: положение устройства обнаружения на карте местности и установка на пульте управления азимутов сектора, в котором будет осуществлять поиск излучателя радиовзрывателя. На следующем шаге происходит обработка введенных данных, в результате чего запоминается контролируемый сектор, далее следует вычисление опорного вектора, представляющего собой массив опорных азимутов. Таким образом, сформированный вектор передается в процедуру отвечающую за построение диаграммы направленности требуемой формы, причем форма и ширина лепестка зависит от этапа работы модели.
Этапами функционирования могут быть контроль и оценивание, решение о дальнейшем шаге алгоритма принимается в блоке выбора на основании текущего этапа работы, который может быть определен по полученному ранее опорному вектору азимутов. В начале работы по умолчанию модель работает в режиме контроля, поэтому в данном блоке принимается положительное решение и управление передается в блок выбора завершения работы, так как требуется продолжение контроля, то в нем принимается отрицательное решение и осуществляется переход на следующий шаг.
Далее следует цепочка линейных блоков-процедур, первый из них блок получения новой корреляционной матрицы задержанной на интервал времени t, следующий шаг получение разностной корреляционной матрицы, путем вычитания из вновь сформированной записанной в памяти предыдущей корреляционной матрицы. Затем новая матрица, задержанная на интервал времени, записывается в память как текущая корреляционная матрица. На следующем шаге алгоритма в блоке решения о появлении сигнала выбор осуществляется на основании анализа разностной корреляционной матрицы. При отсутствии ИРИ происходит передача управления на блок установки сектора контроля, следовательно, алгоритм продолжает работу в режиме контроля и выполняются описанные выше действия. При обнаружении ИРИ управление передается в следующий блок вычисления азимута обнаруженного сигнала. Этот параметр необходим для получения нового опорного вектора азимутов, эта процедура осуществляется на следующем шаге работы модели, при этом режим работы переключается на этап оценивания обнаруженного сигнала.
В соответствии с вышесказанным, новый опорный вектор передается в блок-процедуру построения ДН, следует заметить, что в отличии от предыдущего режима работы, на данном этапе результатом работы блока будет формирование узкого лепестка ДН в направлении сигнала. Дальнейшим действием является переход к блоку решения о режиме работы, напомним, что на предыдущем этапе переход произошел по положительному решению, так как осуществлялся контроль, на текущем этапе принимается отрицательное решение и управление передается в блок оценки обнаруженного сигнала. По окончании этого действия завершается этап оценивания, алгоритм возвращается в исходное состояние этап контроля, при котором выполняется блок установки сектора ведения контроля и далее выполняется следующий цикл вышеописанного алгоритма. Прекращение работы алгоритма выполняется на этапе контроля в блоке выбора завершения.
Блок-схема алгоритма работы имитационной модели адаптивной антенной системы для панорамного радиоприемника, приведена на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Блок-схема алгоритма имитационной модели
В данном алгоритме имеется ряд особенностей, далее рассмотрим внутреннюю реализацию некоторых блоков.
Так в блоке решения о появлении сигнала, оно принимается на основании анализа разностной корреляционной матрицы следующим образом. Вначале вычисляется детерминант данной матрицы, затем определитель сравнивается с 0, при этом возможны три исхода. Если определитель больше 0, то это говорит о положительном принятии решения (появлении сигнала), если определитель меньше 0, следовательно, произошло выключение одного из ранее обнаруженных сигналов и принимается отрицательное решение, и если он равен 0, значит на данный момент РЭО не изменилась и принимается также отрицательное решение. В блоке вычисления азимута обнаруженного сигнала решается алгебраическое уравнение, где неизвестным является искомый параметр, а известными числами – элементы корреляционной матрицы. Процедура оценивания сигнала является виртуальной и окончательно не определяется в программе, предполагается, что оценка производится визуально оператором либо в дальнейшем возможно связывание ее с требуемыми функциями по обработке и записи обнаруженного сигнала. Следовательно, алгоритм определяет режим порядка оценивания ручной либо автоматический, при этом длительность автоматического режима должно соответствовать временным ограничениям, применяемым к имитационной модели.
В разработанном алгоритме используется один блок формирователя ДН как для широкого лепестка, на этапе контроля, так и для узкого, на этапе оценивания. Изменяемым параметром, определяющим характер ДН, является опорный вектор, значение которого изменяется при переходе на другой этап или при смене исходных данных.
Таким образом, разработанный алгоритм позволяет решить поставленную задачу с учетом оговоренных ограничений. Методы обработки информации, применяемые в нем, для управления функционированием модели соответствуют теоретическим положениям ПВОС и основаны на аналитической модели. Проведенные исследования и разработка алгоритма позволяют приступить к выполнению имитационной модели на языке программирования.
Выводы:
1. Для устранения неоднозначности направления принимаемого сигнала, выбирается вариант ААР в виде кольцевой АР. Формирование и обработка корреляционных матриц позволяет принять решение об обнаружении ИРИ, а вычисленные параметры сигнала определяют направляющий вектор, с помощью которого осуществляется управление формой ДН.
2. Разработанный алгоритм обеспечивает решение поставленной задачи и не противоречит наложенным ограничениям. Методы обработки информации, применяемые в нем, для управления функционированием модели соответствуют теоретическим положениям ПВОС и основаны на аналитической модели. Проведенные исследование и разработка алгоритма позволяют приступить к выполнению имитационной модели на языке программирования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты работы показывают:
Для защиты артиллерийских подразделений от боеприпасов с радиовзрывателями широко используются станции помех радиовзрывателям. При этом радиоэлектронное подавление радиовзрывателей снижает в 2 - 10 раз эффективность применения артиллерии противника при поражении наземных целей. Дальность действия (площадь прикрытия) таких станций помех не удовлетворяет современным требованиям.
Анализ известных способов увеличения дальности действия радиосистем показал, что увеличить площадь прикрытия станцией помех без уменьшения сектора обзора можно за счет реализации методов пространственно-временной обработки сигналов для управления формой диаграммы направленности антенной системы: формирования широкой диаграммы для контроля заданного сектора, и узкой – для излучения помехи.
Результаты моделирования показали, что предложенный алгоритм позволит увеличить коэффициент усиления антенны при формировании узкого луча диаграммы направленности на 2-3 децибела, что обеспеит увеличение дальности радиоподавления радиовзрывателей в 1,3-1,5 раза.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. – 2-е изд. – М.: Воениздат, 1989
2. Мельников В.Ф, Исаев В.В., Щевелев И.И. «Принципы построения станции помех радиовзрывателям», ВИРЭ, 2002 г.
3. Бабусенко С.И. «Современная техника радиоподвления», ВИРЭ, 2002 г.
4. Добрыкин В.Д., Куприянов А.И., Сахаров А.В.,Шустов Л.Н. Радиоэлектронная борьба. Силовое поражение радиоэлектронных систем / В.Д. Добрыкин, А.И. Куприянов, А.В. Сахаров, Л.Н. Шустов – М.: Вузовская книга, 2007.
5. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию. – М.: Радио и связь, 1986.
6. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. - М.: Энергия. 1975.
7. Антенны и устройства СВЧ, проектирование ФАР (под ред. Д.И. Воскресенского), 1994 .
8. Радченко Ю.С. Методическое пособие по применению методов множителей Лагранжа, ВГУ
9. Фалькович. Оценка параметров сигнала. – М.: Советское радио, 1970.
10. Владимиров В.И., Лихачев В.П, Шляхин В.М. Антагонистический конфликт радиоэлектронных систем. Методы и математические модели./ Под ред. В.М. Шляхина. – М.: «Радиотехника», 2004.
11. Букеррум А., Павлов С.В. Зависимость плотности распределения ошибок пеленгования от отношения сигнал/шум на входе двухканального радиопеленгатора./материалы 2-го межрегионального семинара. Воронеж: ВАИУ, 2009.
12. Букеррум А., Павлов С.В. Векторное описание погрешности определения местоположения источников радиоизлучений в угломерных системах./ материалы Х Международной научно-методической конференции. – Воронеж: ВГУ/ 2010.
13. Защита от радиопомех. Под ред. Максимова М.В. – М.: Сов. радио, 1976.
14. Павлов В.А., Павлов С.В. Конструктивные особенности антенных систем для радиопеленгования источников радиоизлучений./ Антенны, № 3, 2008. С. 26-31.
15. Адаптивная антенная система для панорамного обнаружителя./ Патент РФ № 2339132. Зарег. в ГРИ РФ 20.10 2008.// И.С Варфоломеев, А.В. Хиченков, В.А Павлов, С.В. Павлов.
16. Способ обнаружения радиоэлектронных средств./ ./ Патент РФ № 2341024. Зарег. в ГРИ РФ 10.12 2008.// И.С Варфоломеев, А.А. Куслий, В.А Павлов, С.В. Павлов.
