Современный подход к формированию сигналов для тестирования приёмных устройств радиолокационных систем с учётом предполагаемой электромагнитной обстановки

Введение

В настоящее время пристальное внимание уделяется обеспечению функциональной безопасности технических средств (ТС) [1, 2]. Безопасность имеет особое значение для устройств специального назначения. В большинстве случаев оценка соответствия установленным требованиям проверяется путём лабораторного тестирования, проводимого в регламентированных для ТС заданного типа условиях. При этом методы проверки соответствия наиболее отработаны и унифицированы по классам для ТС гражданского назначения. Что касается ТС специального назначения, то для них обычно требуется проведение большого объёма специфических испытаний, которые отличаются высокой сложностью, в особенности если речь идёт о крупных радиотехнических системах. Среди них одними из самых распространённых классов являются радиолокационные станции (РЛС).

Как правило, РЛС функционируют совместно с другими ТС, тем или иным образом использующими радиочастотный ресурс. Кроме того, вблизи места размещения обычно находится и другое оборудование, формирующее индустриальные радиопомехи. В результате этого в реальных условиях эксплуатации на вход радиолокационного приёмника (РЛП) вместе с полезным сигналом, сформированным путём приёма отражённых электромагнитных волн от целей, поступают аддитивные помехи. Они могут иметь уровень, достаточный для заметного снижения качества формируемой РЛС координатной информации. В большей части случаев электромагнитная обстановка (ЭМО), в которой функционируют РЛС, является нестационарной, что связано с перемещением излучающих объектов, а в ряде случаев и носителя РЛС. Таким образом, реальные условия функционирования РЛП существенно отличаются от идеализированных, в результате чего при лабораторном тестировании могут быть получены завышенные оценки выходных параметров РЛС.

Практика показала, что при любых подходах к проведению испытаний РЛП необходимо одновременно имитировать:

Ещё одной проблемой является тестирование РЛП в совокупности с антенной радиолокационной станции. Известно [3], что для активных фазированных антенных решёток (АФАР) область дальней зоны, характеризующаяся сформированной диаграммой направленности, начинается на расстоянии, значительно превосходящем линейные размеры антенны. Например, для АФАР с длиной полотна 6 м в сантиметровом диапазоне излучений дальняя зона излучения начинается на расстоянии порядка 5 км от антенны. В то же время соотношение помех и полезных сигналов в радиочастотном тракте РЛП, очевидно, проявляет прямую зависимость от пространственной избирательности антенны. Существующие методы оценки характеристик антенн по излучению ближней зоны всё же не позволяют обойтись без натурных испытаний. Отсюда следует потребность в проведении полигонных испытаний, которые должны сопровождаться применением передающих устройств, размещаемых на подвижных платформах в целях имитации типовых условий эксплуатации РЛС.

Совокупность практически значимых проблем, сопровождающих тестирование РЛП, привела к необходимости развития подходов, позволяющих обойти их либо минимизировать вместе с материальными и временны¢ми затратами на проведение испытаний. Приемлемым решением является снижение объёма полигонных испытаний путём частичной замены на лабораторное тестирование, где источники помех и цели имитируются при помощи векторных генераторов. В рамках настоящей статьи речь пойдёт о векторных генераторах SMW200A компании Rohde&Schwarz, а также о необходимых для формирования таких комплексных сигналов опциях и программном обеспечении.

Имитационная модель ЭМО вблизи РЛС

Тестирование РЛП с учётом реальной ЭМО требует определения характеристик помеховых воздействий. Для этого может быть использована имитационная модель (ИМ) ЭМО [4, 5], которая применительно к задаче испытаний РЛП может быть охарактеризована двумя уровнями детальности.

Первый уровень предполагает моделирование целей и нескольких основных источников радиопомех с учётом их расположения относительно предполагаемой точки размещения РЛП. При необходимости учитывается перемещение таких источников в пространстве с течением времени.

Второй уровень моделирования ЭМО предполагает воспроизведение свойств большой совокупности разнородных источников радиоизлучений (ИРИ), не являющихся основными с точки зрения вклада в совокупную мощность радиоизлучения в месте размещения РЛП, но находящихся вблизи неё. Здесь вполне допустимо отказаться от детального воспроизведения свойств ИРИ, в том числе от точной расстановки в пространстве. Если ИРИ характеризуются нестационарными спектрально-энергетическими характеристиками, следует ориентироваться на максимальную энергетику и предельно возможную полосу частот. При этом наиболее упрощённый характер носит имитация ЭМО для существенно удалённых ИРИ, вклад которых в ЭМО по существу состоит в повышении уровня фонового широкополосного шума.

Специфика применения РЛС требует учёта в ИМ ЭМО направленных свойств как собственной антенны, так и антенн сторонних ИРИ. Для оценки интенсивности излучений в месте размещения РЛП используется представление о гарантированных диаграммах направленности (ДН) [6], которые имеют несложное математическое описание и при планировании радиосетей заменяют фактические ДН антенн.

Для средств радиолокации и радио­связи с направленными антеннами дециметрового и сантиметрового диапазонов могут применяться несколько аппроксимаций ДН. Простейшей из них является прямоугольная аппроксимация, по которой зависимость излучённой ИРИ мощности в заданном направлении определяется уравнением вида:

где P_и – излучаемая мощность; G_и – коэффициент направленного действия антенны ИРИ; g_и(θ) – функция, описывающая ДН излучателя; θ – угол между некоторым направлением и направлением главного луча ДН; θ_с – ширина ДН в соответствующей плоскости сечения на уровне половинной мощности; b² – относительный уровень мощности бокового излучении (b² << 1).

Следующая формула одновременно определяет связь между G_и, b² и θ_с для антенн с достаточно узкой («игольчатой») формой главного лепестка (значение q_с выражено в радианах, G_и – в абсолютных единицах):

Более сложной является предложенная в [7] аппроксимация диаграмм направленности узконаправленных антенн:

где µ = 1…2 – коэффициент, зависящий от степени влияния посторонних предметов на форму ДН. Большее количество объектов вблизи места размещения источника радиоизлучений соответствует более высокому уровню боковых лепестков ДН.

Аппроксимации (1) и (3) определяют средний уровень мощности бокового излучения. Если же требуется учесть статистический характер бокового излучения, то мощность излучения может рассматриваться как случайная величина, распределённая по логарифмически нормальному закону относительно среднего значения m_b = 20lg(b) с дисперсией порядка 3…7 дБ [7].

Важный способ оптимизации ИМ ЭМО связан с фактором энергодоступности ИРИ для конкретного вида приёмных устройств. Из совокупности всех имеющихся ИРИ изымаются те, для которых мощность сигналов в точке приёма не превышает заданного порогового уровня, частота излучаемых сигналов не попадает в заданные диапазоны или удаление от точки измерений более некоторого расстояния. При расчёте уровня мощности радиопомех на входе приёмника используется известное соотношение радиосвязи:

где, в дополнение к ранее введённым обозначениям, G_п – коэффициент направленного действия приёмной антенны; g_n(φ)– нормированная функция ДН антенны приёмника; φ – угол между направлением ориентации максимума ДН приёмной антенны и направлением на ИРИ; λ_и – средняя длина волны излучаемого радиосигнала;

η – коэффициент потерь при рассогласовании излучаемого сигнала и приёмного тракта по поляризации и другим характеристикам (обычно η < 0,5); R – расстояние от излучателя до приёмной антенны. Экспоненциальный множитель определяет затухание электромагнитных волн в атмосфере [8] с коэффициентом a₃, зависящим от диапазона частот. Соотношение (4) справедливо для условий распространения радиоволн в свободном пространстве без учёта отражения от подстилающей поверхности и интерференции прямого и отражённого радиоизлучения. Для учёта этих и более тонких эффектов функции g_и(θ) и g_n(φ) могут быть дополнены интерференционными множителями.

В соответствии с формулой (4), при эффективной изотропной излучаемой мощности Э = P_иG_иg_и η (θ), равной 1 кВт, на частоте 3 ГГц (длина волны 10 см) и при пренебрежении затуханием мощность помехи на входе приёмника, снабжённого изотропной антенной, составит –79 дБм, если расстояние до ИРИ равно 50 км. Для РЛП, снабжённого антенной с коэффициентом направленного действия G_п = 30 дБ, уровень помехи на выходе составит –49 дБм, если ИРИ находится в главном лепестке диаграммы направленности и излучение согласовано по поляризации.

В сантиметровом диапазоне длин волн дифракционные эффекты выражены слабо, и в основном излучение распространяется прямолинейно. Расчёт дальности радиогоризонта, определяющей условия приёма прямого (без отражений и переотражений) излучения, определяется по формуле:

где h_и и h_п – высота подъёма антенны ИРИ и антенны РЛС. Тогда для отказа от учёта радиоизлучения конкретного ИРИ необходимо оценить выполнение условия R ≥ min (R_г,R_э), где R_э – максимальная дальность энергетической доступности, определяемая из (4) для минимального порогового значения мощности P_c = P_cmin следующим образом:

Поскольку РЛП обычно имеют высокую чувствительность, то учитывать ИРИ необходимо на значительном удалении от места базирования. Следовательно, критерий энергетической доступности даст значительное расстояние учёта излучений передатчиков. Перемещение носителя РЛС на значительные расстояния и цикличность работы ИРИ может приводить к изменению совокупности учитываемых источников сторонних радиоизлучений, что несколько усложняет модель и её использование. При строгом подходе необходимо учитывать поляризационную избирательность антенны РЛС и многие другие факторы [9].

Для имитации целей необходимо оценивать мощность отражённых сигналов, а также доплеровский сдвиг частот, обусловленный радиальной составляющей скорости их движения. Для этого используется основная формула радиолокации, которая без учёта потерь в тракте и поглощения излучения в среде распространения имеет следующий вид:

где P_и, P_п – мощность на выходе передатчика и входе приёмника, R – расстояние до цели, λ – длина волны, S_э – эффективная площадь поверхности цели, G – коэффициент усиления антенны на приём и передачу. Возвращаясь к рассмотренному ранее расчётному примеру, можно получить, что для той же частоты при R = 50 км, G = 20 дБ и S_э = 1 м² уровень сигнала на входе приёмного устройства составит порядка –131 дБм. Таким образом, мощность сформированного целями отражённого излучения окажется на порядок ниже, чем помех от ИРИ,

и прямая обработка сигналов при наличии столь интенсивных помех станет невозможной. Но в радиоэлектронике разработаны и успешно применяются специальные методы [10], которые позволяют повысить отношение сигнал/шум до достаточных значений. Применительно к РЛС это согласованная фильтрация, корреляционная обработка и другие способы, в которых недостаточность энергетики компенсируется наличием априорной информации о сигнале. Важнейшим фактором снижения помех от ИРИ является пространственная избирательность антенн РЛС.

Как следует из изложенного, в рамках подготовки к тестированию необходимо установить наиболее значимые источники радиоизлучений, их размещение и подвижность относительно точки базирования РЛП. Источники сторонних радиоизлучений размещаются на подвижных и неподвижных носителях, имеют принципиальные отличия по назначению, принципам функционирования и типам используемых сигналов. Однако для каждого случая могут быть выделены типовые сценарии изменения ЭМО.

Типовые сценарии изменения ЭМО в месте размещения РЛП

Для РЛС военного назначения могут быть выделены примеры следующих сценариев:

Во всех рассмотренных случаях носитель РЛС может быть подвижным, что придаёт ЭМО дополнительную нестационарность. Из рассмотренного подхода к моделированию и приведённого описания типовой ЭМО следует необходимость учёта большого количества разнородных явлений при испытаниях РЛП, часть из которых, как это отмечалось ранее, трудно поддаётся приборной имитации даже в условиях достаточности информации. Использование типовых радиосигналов и принципов их индивидуального формирования не рационально, поскольку потребует создания сложных, дорогостоящих и, главное, плохо скоординированных с логикой реализации сценария изменений ЭМО комплексов для формирования испытательных сигналов, в составе которых должны использоваться генераторы в необходимом количестве. В этих условиях использование программного управления становится объективной необходимостью, но не решает проблему в широком понимании и существенно усложняет этап подготовки к испытаниям. Поэтому при использовании векторных генераторов R&S SMW200A применяется специальное программное обеспечение (ПО) Pulse Sequencer, предназначенное для формирования комплексных радиосигналов, в том числе для обеспечения тестирования РЛП.

Функциональные возможности ПО Pulse Sequencer

Работа с ПО Pulse Sequencer проводится на стадии подготовки к проведению испытаний РЛП и включает два этапа [11]:

Для имитации радиолокационного сигнала, отражённого от цели, в ПО требуется ввести полное его описание. Чем совершеннее и точнее РЛС, тем более сложные сигналы используются для получения координатных определений. На выбор сигналов значимое влияние оказывает и необходимость решения вспомогательных задач, например режекции помех от подстилающей поверхности и борьба с многолучёвостью. Для полноценной имитации полезный сигнал РЛС должен быть воспроизведён с учётом всех особенностей модуляции, что является неотъемлемой частью конфигурирования Pulse Sequencer. Для конфигурирования доступны все необходимые параметры импульса, включая формы фронтов, длительности и другие характеристики огибающей, такие как выбросы, спад и пульсации. Пользователем могут быть выбраны любые виды внутриимпульсной модуляции, включая самые распространённые – линейная частотная (ЛЧМ), амплитудная, частотная, фазовая или векторная [12].

Современные РЛС не строятся по моноимпульсным схемам, поэтому из отдельных импульсов могут быть построены последовательности с межимпульсной модуляцией для определения изменений на основе заданных правил. Межимпульсная модуляция влияет на все перестраиваемые параметры, такие как пауза между импульсами, смещение частоты от импульса к импульсу, индивидуальные уровни импульсов и т.д. Импульсные последовательности могут включать в себя вложенные циклы.

После определения параметров полезного импульсного сигнала можно приступать к настройке сценария тестирования РЛП. В ходе создания сценария пользователь должен определить характеристики источников мешающих радиоизлучений, включая источники информационного наполнения, задать диаграмму направленности антенны тестируемой РЛС, характер сканирования и при необходимости подвижность источников радиоизлучений (опция R&S SMW-K304). Кроме того, пользователь должен определить направление и характер прихода сигналов, имитирующих отражение радиоизлучения от целей. Расстановка источников электромагнитного излучения отображается на карте (см. рис. 1), на которой в центре полярной системы координат располагается РЛП. 

Для каждого из источников рассчитываются мощность излучения в месте размещения, частота, тип излучаемого сигнала, тип диаграммы направленности и тип сканирования антенны.

Одним из важнейших этапов подготовки сценария является описание направленных свойств антенны РЛС. Для этого в Pulse Sequencer вводится информация о ширине диаграммы направленности в азимутальной и угломестной плоскостях, а также о типе и скорости сканирования пространства. На рисунке 2 представлены варианты винтового и растрового сканирования, типичные для РЛС кругового обзора.

Для РЛП, имеющих несколько радио­входов, ПО Pulse Sequencer также позволяет имитировать направление прихода излучения. Для этого необходимо задать относительное расположение антенн, и тогда в результате многоканальной синхронизированной генерации будут реализованы условия разнесённого приёма. При этом размещение приёмных антенн должно быть привязано к ориентации РЛП относительно источников полезных и мешающих радиоизлучений (см. рис. 3).

Такой подход может применяться и для тестирования систем радиопеленгации, например в составе станций радиоконтроля [5]. Если для этого используются два и более векторных генераторов R&S SMW200A, то для обеспечения фазовой когерентности их гетеродинов включается опция R&S SMW-B90.

Результат формирования сценария представляется в виде файла, в котором содержится информация, достаточная для воспроизведения созданного пользователем комплексного сигнала векторным генератором. После его формирования пользователь может переходить к тестированию РЛП. Типовые схемы соединения оборудования при использовании одного или двух выходов векторного генератора R&S SMW200A представлены на рисунке 4 (для воспроизведения комплексного сигнала требуется опция R&S SMW-K306).

Благодаря этому возможности генерации фактически не ограничены сложностью имитируемых видов модуляции. Немодулированные прямоугольные импульсные сигналы, импульсы с ЛЧМ и модуляцией на основе кодов Баркера рассчитываются в генераторе R&S^®SMW200A в реальном времени за счёт применения технологии Pulse Description Words. Эта технология позволяет создавать наиболее популярные сигналы. Уникальные пользовательские сигналы можно загружать заранее и проигрывать в эфире в любой момент времени и любой последовательности. Предельная длительность воспроизведения уникальных сигналов произвольной формы при классическом подходе составляет всего несколько секунд, что недостаточно для многих радарных применений. Рассмотренное решение на основе технологии PDW обеспечивает воспроизведение импульсных последовательностей с частотой до 4 млн импульсов в секунду, что даёт возможность тестировать РЛП, защищённые от постановки имитационных помех, и формировать сценарии тестирования неограниченной длительности.

В большинстве случаев рекомендуется использование закрытых трактов передачи радиосигналов. Облучение антенн, подключённых к РЛП, следует считать исключительной мерой, так как такие испытания требуют соблюдения условий использования радиочастотного спектра и должны сопровождаться соответствующими организационно-техническими мероприятиями [6].

При тестировании РЛП иногда требуется проверить динамический диапазон приёмника, скорость работы схем временной автоматической регулировки усиления, способность отстраиваться от преднамеренных помех. При имитации помеховой обстановки для получения сигналов, отличающихся по мощности на десятки децибел, может потребоваться несколько генераторов – вплоть до количества передатчиков, предусмотренного сценарием испытаний. В представленном ранее примере при удалении цели на 50 км уровень сигнала на входе РЛП составляет –131 дБм. Если цель с теми же характеристиками будет находиться на расстоянии 2 км, то мощность увеличится на 56 дБ и составит –75 дБм. С учётом существующих ограничений по динамическому диапазону один IQ-модулятор не в состоянии сгенерировать сигналы со столь различными мощностями, поэтому здесь потребуется второй векторный генератор с независимым IQ-модулятором. Для реализации тестирования такого рода требуется опция R&S SMW-K350. Фазовая когерентность гетеродинов задействованных векторных генераторов обеспечивается использованием опции R&S SMW-B90.

Следует отметить, что ПО Pulse Sequencer может быть использовано и для тестирования элементов передающего тракта РЛС, в том числе на этапе оценки качества функционирования его узлов. В этом случае в составе тестовых схем используются анализаторы спектра, например серии R&S FSW с опцией импульсного анализа. Если речь идёт об одновременном совместном тестировании приёмной и передающей части РЛС, то для этой задачи можно рекомендовать опцию R&S SMW-K78, обеспечивающую работу как с подключением в высокочастотный тракт, так и через эфир. Векторный генератор R&S SMW-200A с такой опцией вместе с анализатором спектра R&S FSW позволяет имитировать цели с заданными параметрами движения и эффективной площадью поверхности для испытуемого радара. Такой комплекс позволяет существенно уменьшить объём полигонных испытаний и сократить сроки разработки. Названные приборы могут использоваться и для решения многих других измерительных задач.

Для создания тестовых сигналов может использоваться среда MatLAB, как альтернатива применению ПО Pulse Sequencer. При этом резко возрастают требования к квалификации оператора, увеличивается вероятность ошибок при программировании – всё это приводит к необходимости верификации сигналов. 

Заключение

Таким образом, сложность условий эксплуатации РЛС весьма затрудняет использование технических средств раздельного формирования сигналов для имитации динамики изменения ЭМО. Даже при наличии единого контура программного управления объём подготовительных работ для обеспечения соответствия желаемому сценарию во многих случаях оказывается неприемлемо большим.

Если ЭМО и сценарий её изменения определены, то наиболее простой способ её высокоточной трансформации в комплексный сигнал, не предъявляющий чрезмерных требований к квалификации пользователей, состоит в использовании специального программного обеспечения Pulse Sequencer с практически неограниченной сложностью формируемых сигналов. Его применение имеет ещё одно существенное преимущество, состоящее в исключении ошибок при создании сигналов в «ручном» режиме, поиск которых может оказаться сложнее, чем подготовка соответствующих программ. 

Литература