Основы радиолокации и наиболее перспективные подходы



В данной статье дается описание требований и состав основных блоков радиолокационных систем и формулируются основные принципы для решения технических проблем.

Ключевые слова: РЛС, программирование, сигналы, объем памяти, разрешение по дальности, генерация сигналов, микроконтроллеры, ПЛИС.

This article describes the requirements and composition of the main blocks of radar systems and formulates the basic principles for solving technical problems.

Keywords: radar, programming, signals, memory capacity, range resolution, signal generation, microcontrollers, FPGA.

Перечень сокращений

РЛС — радиолокационная станция (radar).

ПЛИС — программируемая логическая интегральная схема (FPGA).

ЛЧМ — линейная частотная модуляция.

СФМ — сложный фазоманипулированный сигнал (phase-shift keying (PSK).

Введение

В основе работы радиолокационных систем лежит принцип излучения радиосигнала (например, импульсный СВЧ-сигнал) и получения переотражения от объектов. За счет того, что скорость электромагнитной волны конечна и известно время излучения импульса и его приема, можно вычислить расстояние до цели. Схематичное изображение принципа работы РЛС показано на рис. 1. Излучается радиоимпульс, в момент времени t1 он достигает цели и начинает отражаться назад и детектируется приемником РЛС через время равное 2*t1.

Рис. 1. Схематичное изображение принципа работы РЛС

Стоит отметить, что дальность работы РЛС пропорциональна средней мощности импульса (т. е. длительный импульс увеличивает дальность, но уменьшает точность), или если надо увеличить дальность без потери в точности, то необходимо увеличить излучаемую мощность.

Так было до 1970–80-х годов прошлого века, позднее с развитием электроники стали использоваться сложные сигналы с внутриимпульсной модуляцией (они имели большую длительность, но за счет обработки и свертки могли быть “сжаты” до короткого импульса).

Современная радиолокация сильно усложнилась и не может рассматриваться как отдельная наука о распространении волн без учета возможностей смежных наук и техники. Постараемся рассмотреть существующие подходы к созданию радиолокационной станции (РЛС) и перспективы дальнейшего развития.

Опишем общие требования к РЛС, полагаю они очевидны и в дополнительных пояснениях не нуждаются:

— необходимо обеспечить требуемую разрешающую способность по дальности

— необходимо обеспечить требуемую разрешающую способность по углу

— необходимо обеспечить требуемый темп выдачи информации

— необходимо обеспечить контроль за периферией/сенсорами РЛС

— по возможности снизить потребление и излучаемую мощность

Разрешающая способность по дальности связана с откликом на импульс импульсным от РЛС, в настоящее время имеется довольно большой выбор алгоритмов формирования сложных сигналов (начиная от ЛЧМ и заканчивая СФМ сигналами) в которых излучается длительный сигнал с малой средней мощностью, но за счет внутренней модуляции на приемнике его можно пересчитать в короткий импульс, обеспечивающий высокое разрешение по дальности, также за счет использования сложных сигналов (сигналов с большой базой) можно снизить излучаемую мощность при заданном разрешении по дальности.

На разрешающую способность по углу программно повлиять практически невозможно, в своей основе она определяется диаграммой направленности антенны.

Темп выдачи информации напрямую связан с разрешением по дальности/углу и максимальной дальностью РЛС.

Например: при дальности 1 км, разрешении по дальности 1 м и разрешению по углу 1° и круговом обзоре получим (1000/1)*(360/1)=360000 элементов разрешения, которые обычно надо обрабатывать и сравнивать каждый период обзора. Для реальных РЛС число элементов разрешения исчисляется миллионами + необходимо хранить данные от нескольких предыдущих обзоров.

Контроль за периферией — современные РЛС это не только передатчик и приемник, так как ввиду большой сложности и дороговизны оборудования и высокой цены неисправности используются системы контроля за характеристиками РЛС (температура, влажность, потребление тока, электрические шумы, перестройка коэффициентов усиления и несущих частот), чаще всего общение с такими датчиками/сенсорами идет по стандартным протоколам (RS232/RS4xx, I2C, SPI/SSI, CAN …), а скорость выдачи информации не превышают нескольких раз в секунду, при малом объеме данных.

Снижение потребляемой мощности РЛС — в большинстве РЛС потребление вычислительной техники не является самым критичным, гораздо большую мощность потребляют системы формирования сигналов и усиления в силу того, что коэффициент полезного действия полупроводниковых микросхем с ростом частоты падает, а потери в антенно-фидерных устройствах растут.

Какие предварительные умозаключения можно сделать из анализа проблем:

1) необходимо устройство для просчетов элементов разрешения (обработка “сырых данных”)

2) необходим контроль периферии РЛС (автоматизированная система контроля и управления)

3) желательно снизить излучаемую мощность (и потребляемую мощность РЛС), например за счет использования сложных сигналов (система генерации и модуляции сигналов).

4) вычислитель для обработки информации и передачи в систему или вывода на экран.

Рассмотрим основные пути решения данных проблем.

Обработка “сырых” данных:

Первый способ заключается в использовании ПЛИС для быстрого и массового расчета, в логических элементах минимальная задержка, современные ПЛИС имеют до миллиона логических элементов, операции выполняются параллельно + ПЛИС зачастую имеют цифровой сигнальный процессор (DSP).

Данный подход применяется, но к минусам можно отнести:

— необходимость передачи информации вычислителю (нужна большая скорость)

— сложность расширения/модернизации системы

Второй способ заключается в использовании видеокарты (точнее множества ядер в графической системе), идея заключается в распределении вычислений на множество мелких подзадач и вычислении на видеокарте с передачей информации по PCI шине.

Данный подход также применяется, но имеет следующие минусы:

— информация должна приходить оцифрованной (например по ethernet)

— пропуская способность разъема PCI также ограничена + ограничено число ядер, может возникнуть узкое место

Автоматизированная система контроля и управления:

так как используется стандартная периферия, то использование классических микроконтроллеров или маленьких ПЛИС (в случае антенных решеток) весьма оправданно, это максимально простое и зачастую дешевое решение.

Система генерации и модуляции сигналов:

Обычно для создания сигнала РЛС используются стабилизированные генераторы частоты и умножители, за счет чего получается минимальный фазовый шум.

Вариант с ФАПЧ практически невозможен, т. к. имеются фазовые шумы и очень большая зависимость от температуры и напряжения.

Для формирования сложных сигналов используют ПЛИС и/или DDS генераторы и смесители частот, следовательно, главным параметром будет частота работы данного формирователя сигналов и спектр выходного сигнала.

Также стоит отметить, что передающие устройства тоже имеют инерцию и зачастую использование СФМ сигналов с мощными передатчиками (для большей дальности) крайне нетривиальная задача. Обычно сложные сигналы используются вместе с твердотельными приемопередающими модулями, тем более в настоящее время они весьма распространены на мощности до 200 Вт.

Вычислитель:

Обычно к вычислителям требования формируются условиями эксплуатации, в ряде случаев это может быть даже обычный компьютер, ведь его главная функция — хранить и выводить информацию.

Заключение

По результатам работы были рассмотрены подходы и общие требования к созданию блоков РЛС, решение по каждому конкретному блоку должно применяться по результатам анализа технического задания и технологических возможностей. Отдельно стоит отметить опыт и количество разработчиков по каждому из направлений (ПЛИС/графические вычислители) а также доступные аппаратные решения.

Литература:

1. Радиолокационные системы: учебник для вузов / Бакулев П. А. М.: Издательство “Радиотехника”, 2015.
2. Ахияров В. В., Нефедов С. И., Николаев А. И., и др. “Радиолокационные системы” — М.: “МГТУ им. Н. Э. Баумана”, 2018.
3. Справочник по радиолокации (ред. Сколник М. И.) / М.: Сов. Радио. — 1976