Повышение эффективности защиты от боеприпасов с радиовзрывателями на основе реализации методов пространственно-временной обработки сиг

    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 и расстояния d между АЭ) и их параметры влияют на характеристики АР (форму результирующей ДН, разрешающую способность ААС и неоднозначность определения координат ИРИ). Повышения разрешающей способности можно достичь за счет увеличения разноса АЭ. Однако при этом снижаются возможности пространственной дискриминации групповых источников за счет создания широких минимумов результирующей ДН. Как говорилось ранее [14]. в зависимости от расположения АЭ в пространстве различают линейные, плоскостные, объемные и кольцевые (одно-, двух-, и трехмерные, соответственно) решетки. Основные конструкции АР иллюстрируются на рис. 4.

    

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

                        (2.1)

    при наличии ограничений

                       (2.2)

    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

        (2.3)

    Здесь - множители Лагранжа. На знак никаких ограничений не накладывается.  Тогда при выполнении условий в окрестности точки минимума x* :

• - выпукла,
• - выпуклы в окрестности x*

    решается  совместная система уравнений

             (2.4)

                  (2.5)

           .     (2.6)

          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  ) , проверяется , будет ли она положительно определенная. В случае положительной определенности решение задачи найдено.

    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.