У ЦИФРОВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ПРОСТО НЕТ АЛЬТЕРНАТИВЫ

[stailker]

НИКОЛАЙ НИКИТИН
заместитель директора НИЦ РЭС корпорации "НПО Арсенал"

У ЦИФРОВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ПРОСТО НЕТ АЛЬТЕРНАТИВЫ

Корпорация «Научно-производственное объединение «Арсенал», занимающаяся разработкой и внедрением новейших технологий, в том числе и технологии цифровых антенных решеток для построения перспективных радиоэлектронных систем двойного назначения, на прошедшей выставке AVIASVIT-XXI представила ряд своих уже известных и перспективных разработок. Предприятие, невзирая на известные отечественным разработчикам и производителям сложности, продолжает активные работы и делает свой весомый вклад в развитие и практическое воплощение теории в принципиально новую радиолокационную технику.
Defense Express предлагает своим читателям интервью с заместителем директора НИЦ РЭС Корпорации «НПО «Арсенал», кандидатом технических наук, доцентом Николаем Никитиным, который рассказал о последних достижениях предприятия.

Какие образцы радиолокационной техники Корпорация «НПО «Арсенал» представила на выставке AVIASVIT-XXI?

- Сегодня предприятие активно развивает направление создания перспективных радиолокационных систем на основе технологии цифровых антенных решеток (ЦАР). На выставке мы представляем две разработки PJIC с ЦАР. Одна из новинок - экспериментальный образец относительно небольшой радиолокационной станции. Впервые мы его продемонстрировали на выставке «МАКС-2011» в Москве, где он заинтересовал многих участников и посетителей. Данную РЛС предлагается использовать при модернизации существующих и создании новых зенитных комплексов ближней и малой дальности для автоматического обнаружения и сопровождения воздушных целей, находящихся в секторе ее обзора размером 15 на 15 градусов. РЛС обладает возможностью практически мгновенно обнаруживать все движущиеся цели, находящиеся в этом секторе, и осуществлять их автоматическое сопровождение. В зависимости от установленного приоритета РЛС может выбрать самостоятельно (или с помощью оператора) ту цель, которая наиболее опасна, и сопровождать ее с помощью механического привода.
В первую очередь, станция ориентирована на использование при модернизации таких зенитных средств, как ЗСУ «Шилка», ЗРК «Стрела-10» и ЗПРК «Тунгуска». Существенной особенностью этой РЛС с ЦАР являются малые габариты и вес, хотя в одном блоке содержатся практически все необходимые элементы. Требуется только подключить монитор для отображения данных и манипулятор. Сегодня решается вопрос о размещении данной РЛС на опорно-поворотном устройстве, которое обеспечит поворот антенны в направлении сопровождаемой цели.

Что еще нового в своем запасе имеет «НПО «Арсенал»?

- По заказу Государственного космического агентства Украины «НПО «Арсенал» работает над созданием перспективной радиолокационной станции контроля космического пространства с применением технологии ЦАР. Сейчас выполняется этап эскизного проектирования, в ходе которого предусмотрены испытания макетов приемной и передающей систем этой РЛС, в частности, на выставке представлен фрагмент разрабатываемой антенно-приемной системы. В дальнейшем нами рассматриваются варианты использования подвижных платформ устаревших комплексов «Орион» и «АДУ-1000», расположенных вблизи г. Евпатории, для размещения основных систем РЛС. Антенно-приемная система РЛС будет состоять из 1024 приемных каналов и иметь размер антенной решетки 16 на 8 метров. Антенно-передающая система с антенной решеткой размером 7 на 7 метров будет размещаться на отдельном опорно-поворотном устройстве. Весь комплекс будет обеспечивать как обнаружение вновь появившихся космических объектов, так и уточнение траекторий уже известных объектов.


Реализация этого сложного и достаточно затратного проекта позволит решать одну из важнейших задач, которая представляет интерес не только для нашей страны. Данная разработка открывает широкие перспективы для международного сотрудничества Украины в космической сфере. Эта РЛС обеспечит не только слежение за выводимыми на орбиту и действующими космическими аппаратами, но и за огромным количеством космического мусора, вращающегося на орбите Земли и представляющего опасность для функционирующих космических аппаратов. Перспективная РЛС контроля космического пространства, построенная с применением технологии ЦАР, позволит измерять с высокой точностью координаты неконтролируемых объектов искусственного происхождения, обеспечивая предупреждение об опасном сближении орбит и достоверную оценку вероятности столкновения. Ранее эти задачи были под силу только специализированным станциям системы противоракетного нападения (СПРН). Но их характеристики для таких наблюдений не оптимальны - они не могут «смотреть» под большими углами места. И пусть дальность действия нашей РЛС несколько меньше, чем у РЛС СПРН, однако использование поворотной платформы предоставит значительно большие возможности для решения поставленных задач.

Какой минимальный по размеру объект будет способна наблюдать ваша перспективная РЛС с ЦАР в Евпатории?

- В зависимости от удаленности фрагментов космического мусора, сегодня мы говорим о наблюдении объектов с эффективной отражающей поверхностью до 0,1 кв. м.

Какие работы по реализации проекта для ГКАУ на сегодняшний день уже проведены?

- Как я уже сказал, мы пока выполняем этап эскизного проектирования, в ходе которого проводим разработку и испытания макетов радиолокационной части передающих/приемных устройств. Кроме того, в этом году наши контрагенты обследовали предполагаемые к модернизации опорно-поворотные устройства. Они в рабочем состоянии и могут быть использованы. При этом, я хочу подчеркнуть, используя только имеющиеся опорно-поворотные устройства, мы фактически создаем новую радиолокационную станцию. А это длительный и дорогостоящий процесс.

Какова себестоимость создаваемой вами станции?

- Безусловно, наши РЛС с ЦАР дешевле мировых аналогов, но это «удовольствие» не из дешевых. При построении РЛС мы используем принцип «открытой архитектуры», который позволяет не только снизить стоимость проекта, но и реализовать постепенное наращивание приемной и передающей систем. В связи с этим с ГКАУ обсуждается возможность фрагментарного наращивания РЛС в зависимости от условий финансирования. Мы уже провели предварительные расчеты, однако я не думаю, что будет уместно озвучивать предварительные цифры.

В чем преимущества ваших цифровых антенных решеток по сравнению с обычными радиолокационными станциями, распространенными в мире на сегодняшний день?

- Традиционные радиолокационные системы имеют один луч, который сканирует пространство путем механического поворота зеркала или рупора антенны по азимуту и по углу места. В существующих фазированных антенных решетках также формируется один луч, который «осматривает» пространство не механическим, а электронным способом. Главным отличием технологии приёмных цифровых антенных решеток является реализация пространственной многоканальности, позволяющей во всем рабочем секторе параллельно осматривать и одновременно обрабатывать информацию множества сигналов, поступающих на вход антенно-приемной системы РЛС. Кроме того, технология ЦАР предполагает максимально эффективное использование специальных алгоритмов пространственно-временной обработки радиолокационных сигналов в цифровом виде. Это отличие от традиционных РЛС достигается тем, что сигнал с каждого антенного элемента, образующего решетку, сразу после преобразования частоты подается на совокупность аналогово-цифровых преобразователей (АЦП). Вся дальнейшая обработка сигнала производится «в цифре». Хочу отметить, что методы цифрового диаграммообразования, обеспечивающие формирование только одного луча и получившие определенное распространение в некоторых современных РЛС, мы относим к традиционным, а не к технологии ЦАР.

Зображення

Универсальность технологам ЦАР, высокий уровень унификации и технологичности позволяют создавать РЛС разнообразного назначения. Поэтому, кроме контроля космического пространства и военного применения, различные варианты построения РЛС с ЦАР можно использовать в качестве метеорологических станций, в качестве аэродромных станций для обеспечения безопасности полетов и в качестве РЛС в системе посадки самолетов, обеспечивая при этом существенно более высокую надежность.

Предлагалась ли ваша продукция для применения в интересах МО и какова там реакция?

- Да, предлагалась, однако на сегодняшний день оборонное ведомство испытывает известные бюджетные ограничения. Возможно, в недалеком будущем перспективность радиолокационной техники на базе многоканального цифрового диаграммообразования и ее использование в военных целях оценят, исходя из более высокой эффективности и эксплуатационных показателей нашей РЛС на базе технологии ЦАР. Возможные модификации разработанных РЛС с ЦАР различной дальности действия и конструктивного исполнения могут успешно использоваться для разведки, целеуказания и управления огневыми средствами подвижных командных пунктов подразделений и частей ПВО, ракетных войск и артиллерии, а также в составе корабельных и береговых систем и комплексов

.

Comments

[stailker]

http://www.slyusar.kiev.ua/AVMS_article.pdf



РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ,
ВЫПОЛНЕННОЙ ПО ТЕХНОЛОГИИ ЦИФРОВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК
Рассматриваются результаты натурных испытаний по надводным и воздушным
объектам опытного образца перспективной радиолокационной системы, выполненной по
технологии цифровых антенных решеток.
Рис. 8, библ. 11.
Эффективность применения ракетно-артиллерийского вооружения кораблей в
значительной степени зависит от тактико-технических характеристик информационной
подсистемы, основу которой составляют радиолокационные средства обнаружения и
сопровождения надводных и воздушных целей.
Необходимость построения перспективных радиолокационных станций (РЛС) для
боевых кораблей по технологии цифровых антенных решеток (ЦАР), достигаемых при
этом преимуществах и возможности реализации такого подхода в современных условиях
отмечались в докладе на предыдущей конференции [1]. На важность создания
пространственно многоканальных РЛС с цифровым диаграммообразованием для решения
задач противовоздушной и противоракетной обороны кораблей указывает известный
специалист М. Сколник в новой редакции Справочника по радиолокации [2]. Создание
РЛС с ЦАР быстро переходит из области теоретических исследований в практическую
плоскость, о чем, в частности свидетельствует контракт, заключенный в сентябре 2007
года Raytheon Co. на разработку субрешетки DAR-X (Digital Array Radar X-Band) для
перспективной корабельной РЛС на сумму $14,951,527, который планируется завершить в
сентябре 2012 года [3].
Возможности современной элементной базы позволяют получать при реализации
технологии ЦАР довольно компактные технические решения, о чем свидетельствует
опытный образец РЛС с 64-канальной ЦАР, изготовленный Корпорацией „НПО
„Арсенал” (г. Киев). Его создание было обусловлено необходимостью практической
проверки основных положений теории многоканального анализа сигналов [4] и
эффективности существующих технологий цифровых антенных решеток в диапазоне
частот около 9 ГГц. Натурные испытания этой РЛС проводились на полигоне научно-
исследовательской лаборатории физических полей кораблей Казенного предприятия
“Исследовательско-проектный центр кораблестроения” (г. Севастополь).
Прежде, чем перейти к непосредственному изложению результатов испытаний
необходимо остановиться на технических характеристиках опытной РЛС. Отличительной
ее особенностью является возможность как совмещенного, так и разнесенного построения
передающего и приемного сегментов с когерентной обработкой сигналов. В РЛС входят:
приемная система (рисунок 1); передающая система (рисунок 2) в составе рупорной
антенны и твердотельного усилителя мощности; устройство отображения информации на
базе компьютера.
Приемная система представляет собой пассивную ЦАР, которая образована
совокупностью подсистем (рисунок 1), среди которых:
1 – антенная решетка формата 16×4, состоящая из элементов, печатного типа; 64-
канальный приемный сверхвысокочастотный (СВЧ) модуль со 128 квадратурными
выходами сигналов промежуточной частоты; модуль гетеродина и формирования
контрольного сигнала;
2 – 128-канальный модуль усилителей промежуточной частоты;
3 – блок 128 цифровых приемных модулей (ЦПМ) со спецвычислителем и
синхронизатором.
Рисунок 1 – Приемная система РЛС Рисунок 2 – Передающая система РЛС
При создании РЛС были использованы запатентованные технические решения,
изложенные в [5–9]. В качестве концептуальных основ конструктивного выполнения
блока цифровых приемных модулей приняты предложенные в [10] рекомендации,
которые основываются на применении промышленного стандарта CompactPCI.
Разрядность АЦП – 12 бит, частота дискретизации – 50 МГц. Импульсная мощность
излучения передатчика составляет около 40 Вт. Поляризация излучения – вертикальная.
Длительность и период повторения зондирующих импульсов регулируются по программе.
Кратчайший излучаемый сигнал имеет длительность 0,48 мкс, наиболее длинный – 5,12
мкс. Скважность импульсной последовательности в пачке устанавливается по программе
от минимального значения 8 до максимального 256. Максимальный размер
накапливаемой пачки импульсов – 512.
РЛС работает в двух режимах зондирования:
режим однозначной дальности (ОД), характеризуемый большой скважностью
излучаемых импульсов, в котором происходит излучение и прием одной пачки
импульсов;
режим квазинепрерывного излучения (КНИ), характеризуемый малой
скважностью, в котором для исключения неоднозначности измерения дальности
излучаются последовательно три пачки импульсов со скважностями, отличающимися на
единицу.
При разнесенном построении системы в ходе испытаний передающее устройство
располагалось на расстояниях от 1 до 6,5 метров от приемной антенной решетки.
Поскольку заметного влияния излучений передающего устройства на работоспособность
1
2
3
приемной системы РЛС не выявлено, при создании РЛС с ЦАР разного назначения можно
рекомендовать как совместное, так и разнесенное конструктивное построение приемного
и передающего устройств. Вид совместного построения системы показан на рисунке 3.
Рисунок 3
На первом этапе испытаний РЛС основное внимание уделялось исследованию
стабильности технического состояния приемных трактов. Как указано в [11], юстировка
приемной системы является одной из важных процедур, характерных для многоканальных
систем, выполненных по технологии ЦАР. Настройка ЦАР во время экспериментальных
испытаний РЛС проводились в несколько этапов. Основной из них – оценка состояния
каналов приема, которая проводилась по результатам определения коэффициентов
коррекции, содержащих в себе относительные расхождения (амплитудные и фазовые)
коэффициентов передачи каналов, измеренных по внешнему юстировочному сигналу. В
этих коэффициентах сосредоточена информация о расхождении характеристик всех
элементов приемных трактов.
Учитывая тот факт, что данный этап должен проводиться на подготовленном
полигоне или в безэховой камере и требует специального сигнального и аппаратурного
обеспечения, проводить его часто в пределах основного режима работы РЛС невозможно.
Поэтому осуществлялся второй вариант – коррекция по внутреннему контрольному
сигналу (КС) [11]. Полученные таким образом коэффициенты коррекции содержат лишь
расхождения в коэффициентах передачи приемников, параметры цепей разведения КС и
ключей подключения КС ко входам приемников можно считать неизменными во времени.
Апертура антенной системы состоит из пассивных элементов, которые могут длительное
время сохранять свои параметры, уходы которых контролируются во время следующих
поверочных мероприятий или после проведения ремонта антенной системы.
Полученные в ходе первого этапа испытаний результаты (рисунок 4) позволили
сделать вывод об эффективности предложенного в [11] метода цифрового выравнивания
параметров физических каналов ЦАР.
Рисунок 4 – Результаты коррекции характеристик приемных каналов с помощью
внутреннего КС (слева – состояние до коррекции, справа – после коррекции)
На втором этапе испытаний РЛС основное внимание уделялось проверке
работоспособности и качества ее функционирования в условиях реальной
радиолокационной обстановки. Радиолокационными целями были наземные, надводные и
воздушные объекты, которые находились в рабочей зоне РЛС на момент испытаний.
Как инструмент объективного контроля использовался лазерный дальномер ДАК-2,
с помощью которого измерялась дальность до объекта и направление на него.
Погодные условия во время испытаний: температура воздуха 18...23 градуса,
переменная облачность, ветер умеренный до 5...7 м/с, волнение моря от 1 до 3 баллов.
Радиотехническая обстановка усложнялась круглосуточной работой в режиме
кругового обзора РЛС «Наяда-5» лоцманского поста на удалении около 100 метров.
Рабочая частота «Наяды -5» практически совпадала с частотой передатчика опытной РЛС,
что приводило к несинхронным помехам на входах приемных каналов, особенно при
работе РЛС кругового обзора на коротких зондирующих импульсах.
Работа исследуемой РЛС осуществлялась в секторах: 18 градусов по углу места и
±30 градусов по азимуту – в режиме приема сигналов; ±15 градусов по углу места и ±10
градусов по азимуту – в режиме зондирования. При этом передатчик облучал сразу весь
указанный сектор пространства, а прием отраженных сигналов происходил одновременно
по всем направлениям в пределах сектора работы приемной антенной решетки.
Результаты локации отображались на секторных развертках «дальность – угол
места» и «дальность-азимут» монитора оператора РЛС в зависимости от режима
отображения в виде:
первичного сигнала, который превысил установленный порог обнаружения;
отметок обнаруженных целей;
отметок целей, захваченных на траекторное сопровождение.
Кроме того, на монитор выводилась таблица формуляров сопровождаемых целей с
такими параметрами: номер цели; значение координаты цели (азимут, дальность, высота);
значение курсового угла, курсовая и вертикальная составляющие скорости цели;
количество полученных отметок цели; значение отношения «сигнал – шум» в децибелах.
На панели управления устанавливались и фиксировались режимы работы РЛС,
параметры излучаемых импульсных сигналов, количество циклов зондирования,
измеренный уровень шума приемных устройств, значение выбранного порога
обнаружения сигнала, количество обнаруженных сигналов. Вид панели индикации и
управления в основном режиме работы РЛС показан на рисунке 5.
Рисунок 5 – Вид панели индикации и управления режимами работы РЛС
При переходе к сервисному режиму работы существующее программное
обеспечение позволяло отобразить на панели монитора оператора временные и
спектральные характеристики принятых сигналов, значение измеренных параметров
(дальность, азимут, угол места, радиальная скорость) обнаруженных источников сигналов
и другие данные.
В ходе проведенных испытаний опытного образца РЛС с 64-канальной ЦАР
наблюдались и устойчиво сопровождались практически все надводные объекты, которые
находились в выбранном рабочем секторе, в частности: морские буи, движущиеся и
неподвижные лодки, парусные и моторные яхты, катера, судна и корабли среднего и
большого водоизмещения.
В режиме ОД последовательно сопровождались, например, такие характерные
надводные цели:
– БПК «Керчь» – в диапазоне дальностей 14,43 … 34,5 км (при длительности
импульса – 5,12 мкс, скважности – 159, количестве импульсов в пачке – 256 общее время
когерентного накопления сигналов для получения одной отметки цели составляло 208,4 мс);
– небольшая яхта, – на дальности 9,76 км (при длительности импульса – 0,64 мкс,
скважности – 159, количестве импульсов в пачке – 256 общее время когерентного
накопления сигналов для получения одной отметки цели составляло 26,1 мс).
При импульсной мощности излучения около 40 Вт энергетический потенциал
испытываемой РЛС оказался достаточно высоким. Об этом, в частности, свидетельствует
устойчивое наблюдение местных предметов на удалении до 60 км (рисунок 6) при
наличии условий рефракции волн.
Рисунок 6 – Результаты наблюдения местных предметов на дальности до 60 км
На рисунке 7(а, б, в) показан процесс автоматического сопровождения катера,
выходящего из бухты. Дальность до катера составляла 2,5…3,0 км. РЛС устойчиво
сопровождала объект на фоне мешающих отражений в течение нескольких минут.
Рисунок 7 – Фрагменты отображения процесса сопровождения катера
В ходе проведения экспериментов зафиксированы факты автоматического захвата и
устойчивого сопровождения воздушных целей. Сопровождение вертолета осуществлялось
на дальности около 7 км при отношении «сигнал-шум» 22 дБ. Отображение процесса
сопровождения вертолета показано на рисунке 8а. Сопровождение самолета типа БЕ-12
(рисунок 8б) осуществлялось на дальностях 10,7…11,6 км. Сопровождение проводилось в
режиме работы КНИ при длительности импульса 5,12 мкс, скважности 19, 20, 21. Время
сопровождения, равное 35 с, ограничивалось временем пребывания цели в секторе
работы РЛС.
Отметка катера
а) б) в)
Рисунок 8 – Фрагменты отображения процесса сопровождения вертолета (а)
и самолета (б)
Оценка показателей точности измерения координат объектов осуществлялась по
неподвижным целям. При измерении координат отдельной лодки, расположенной на
удалении 1824 м, получены статистические результаты, которые сведены в таблицу 1.
Здесь М(·), σ(·) – значения оценок математического ожидания и среднеквадратичного
отклонения параметров (β – азимут, D – дальность, ε – угол места, f – доплеровский сдвиг
частоты, V – скорость движения), N – количество реализаций процедуры оценивания
параметров.
Таблица 1
М(β) σ(β) М(D), σ(D) М(ε), σ(ε) М(f), σ(f) М(V), σ(V) N
градус метр градус Герц м/с
-5,23 0,082 1824 4,076 -0,75 0,027 7,313 2,397 0,116 0,038 40
При сравнении результатов измерения дальности РЛС с данными лазерного
дальномера ДАК-2 разность составила для неподвижных объектов 3...10 м, а для
движущихся протяженных объектов – до 30 м. В целом, сопоставление результатов
измерений дальности и азимута целей с данными лазерного дальномера показало их
расхождение в пределах паспортной точности прибора ДАК-2.
Во время испытаний были также проверены расширенные функциональные
возможности РЛС с ЦАР, в частности:
устойчивая работа при появлении отказа в одном или нескольких приемных каналах;
привязка местных предметов, обнаруженных и сопровождаемых объектов к карте
местности;
определение и отображение собственных координат местонахождения РЛС;
учет поворота антенны изделия при отображении обстановки на карте;
подавление сигналов местных предметов;
работа с разными длительностями и скважностями зондирующих импульсов;
сопровождение целей в режимах ОД и КНИ;
работоспособность РЛС в условиях интенсивного дождя и ветра (наблюдалось
устойчивое обнаружение надводных объектов на дальностях до 8 км, в том числе
обнаружение и сопровождение целей типа шлюпка и яхта).
работоспособность устройства в условиях влияния несинхронной импульсной
помехи, создаваемой РЛС «Наяда-5».
Проведенные натурные испытания опытного образца 64-канальной
радиолокационной станции, выполненной по технологии ЦАР, доказали эффективность
а б
основных принципов построения, реализованных технических решений [1-5] и
разработанного программно-алгоритмического обеспечения.
В частности, были подтверждены:
возможность реализации принципа пространственной (и частотной)
многоканальности приемной системы ЦАР на современной элементной базе в реальном
масштабе времени;
эффективность алгоритмов цифрового выравнивания коэффициентов передачи
приемных каналов, которые реально обеспечивают отличие коэффициентов передачи
менее одного процента по амплитуде и долей градуса – по фазе;
высокая когерентность РЛС, которая достигается за счет формирования всех радио-
и управляющих сигналов из колебаний единого стабильного кварцевого генератора
частотой 100 МГц;
работоспособность многоканальных алгоритмов обнаружения сигналов и оценки их
количества в элементе разрешения (по угловым координатам и радиальной скорости);
эффективность разработанных алгоритмов траекторного сопровождения целей;
правильность разработанных алгоритмов общего отображения на экране индикатора
полученных радиолокационных данных и карты местности;
удобство и информативность реализованных в РЛС форм отображения информации
на экране индикатора в различных режимах;
работоспособность алгоритмов объективного контроля технического состояния
приемных каналов РЛС из ЦАР;
функциональность разработанного программно-алгоритмического обеспечения РЛС,
которое позволяет осуществлять весь цикл боевой работы РЛС в автоматическом режиме;
эффективность избранной методики оценки возможностей РЛС, выполненной по
технологии ЦАР.
Вывод
Опыт, полученный при создании нового типа РЛС, и достигнутые во время
испытаний результаты позволяют обеспечить успешное изготовление опытного образца
корабельной РЛС с ЦАР, который удовлетворял бы современным требованиям,
предъявляемым к подобному классу РЛС.