RU2349928C2

RU2349928C2 - Phased-array radar method

Info

Publication number: RU2349928C2
Application number: RU2005132680/09A
Authority: RU
Original assignee: Ямчук Андрей Юрьевич
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2009-03-20
Also published as: RU2005132680A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: radar method based on phased-array antenna (PAA) is offered with isotropic transmitting antenna continuously radiating thus generating in PAA reception area time- and space-continuous electromagnetic field of pulses reflected from various targets, radiated with isotropic transmitting antenna and received with PAA. Additionally, in receiving isotropic transmitting antenna enables PAA coverage scanning continuous and synchronised with continuous radiation of linear-frequency modulated pulse (LFM pulse) thus ensuring directional filtering and range gating of the targets, also with possibility for simultaneous increase in target radar speed, frequency and resolution regardless of range and solid coverage angle simultaneously increasing the latter.

EFFECT: higher radar speed, frequency and resolution.

Description

Изобретение относится к системам радиолокации и может быть использовано для подводного (ультразвук) и наземного видения.The invention relates to radar systems and can be used for underwater (ultrasound) and ground vision.

Известен способ радиолокации (импульсная радиолокация), когда применяют систему из фазированных антенных решеток (ФАР), [1, стр.72-73]. составленной из множества разнесенных в пространстве антенных излучателей. При этом каждый излучатель снабжен фазовращателем, управляемым по особому алгоритму, позволяющему манипулировать в пространстве общей диаграммой направленности ФАР для посылки и принятия радиолокационных импульсов. При этом работа проходит по алгоритму: установление диаграммы направленности (~50 мкс для pin-диодов), посылка импульса, ожидание прихода импульса на время дальности сканирования пространства, прием отраженного сигнала. Время, скорость и точность (количество посылок на сектор обзора радара) лимитируются скоростью света в пространстве (до границы обзора и обратно), дальностью обзора и временем установления и смены диаграммы направленности и шириной ее лепестка, причем все эти величины связаны едиными соотношениями. Кроме того, имеются ограничения по мощности для некоторых типов антенных излучателей.A known method of radar (pulsed radar), when applying a system of phased antenna arrays (PAR), [1, p. 72-73]. composed of many spatially spaced antenna emitters. Moreover, each emitter is equipped with a phase shifter controlled by a special algorithm that allows you to manipulate in space the general radiation pattern of the headlamp to send and receive radar pulses. In this case, the work proceeds according to the algorithm: establishing a radiation pattern (~ 50 μs for pin diodes), sending a pulse, waiting for a pulse to arrive at the time of the scanning distance of a space, receiving a reflected signal. Time, speed and accuracy (the number of parcels per radar viewing sector) are limited by the speed of light in space (to the viewing border and vice versa), the viewing distance and the time of establishment and change of the radiation pattern and the width of its lobe, all of which are related by uniform relationships. In addition, there are power limitations for some types of antenna emitters.

Принцип работы изобретения основан на том, что излучение и прием отраженного сигнала осуществляется разными антеннами, причем излучение осуществляется не импульсно, а непрерывно (непрерывная радиолокация) всенаправленной антенной (или сконцентрировано в зоне сканирования приемной ФАР), а прием осуществляется ФАР. Теперь мощность излучаемой антенны ничем не ограничена. Причем сканирование пространства ФАР осуществляется непрерывно и может быть синхронизировано с передающей антенной линейно-частотно-модулированным импульсом (ЛЧМ-импульс), излучаемым антенной (имеется в виду непрерывная частотная модуляция за период модулирующей частоты с периодом модуляции, где частота модуляции может изменяться произвольным образом). Передающей антенной создается в приемной точке пространства непрерывное во времени и пространстве электромагнитное поле, созданное из отраженного от целей излучения, пришедшего с разных сторон к ФАР. При этом селекция целей по дальности осуществляется выделением частотной составляющей в принятом сигнале. Селекция по направлению и дальности может быть как совместной, так и с отсутствием одного из параметров, (допустим, требуется только направление на цель) или раздельной. Непрерывный способ излучения и сканирования пространства позволит резко увеличить скорость, частоту и разрешающую способность радиолокации одновременно и снять их зависимость от дальности и телесного угла обзора пространства при одновременном увеличении последних. Возможно совмещение непрерывной радиолокации с выделением доплеровской частоты. Возможно размещение приемной и излучающей антенны в разных местах.The principle of operation of the invention is based on the fact that the radiation and reception of the reflected signal is carried out by different antennas, and the radiation is not pulsed, but continuously (continuous radar) with an omnidirectional antenna (or concentrated in the scanning area of the receiving headlamp), and the reception is carried out by the headlamp. Now the power of the radiated antenna is not limited by anything. Moreover, the scanning of the headlamp space is carried out continuously and can be synchronized with the transmitting antenna by a linear-frequency-modulated pulse (LFM pulse) radiated by the antenna (we mean continuous frequency modulation over a period of modulating frequency with a modulation period, where the modulation frequency can be changed arbitrarily) . A transmitting antenna is created at the receiving point of space, a continuous in time and space electromagnetic field created from the radiation reflected from the targets, which came from the opposite side to the headlamp. In this case, the selection of targets by range is carried out by selecting the frequency component in the received signal. Selection in direction and range can be either joint or with the absence of one of the parameters (for example, only the direction to the target is required) or separate. A continuous method of radiation and scanning space will dramatically increase the speed, frequency and resolution of radar simultaneously and remove their dependence on the range and solid angle of view of the space while increasing the latter. It is possible to combine continuous radar with the allocation of Doppler frequency. It is possible to place the receiving and radiating antennas in different places.

Данный метод можно применить для защиты бронетехники и летательных аппаратов. Известны [4, 5] системы активной защиты (САЗ) «Арена» и «Дрозд», применяемые для защиты бронетанковой техники, но не ставшие массовыми для применения и являющимися скорее опытными образцами для отработки отдельных элементов системы в целом. Способы применения САЗ можно в общем разделить на две группы: обнаружения ПТУРС (противотанкового управляемого снаряда) и его уничтожения. Предлагаемое изобретения можно применить в качестве способа обнаружения (и сопровождения) цели (ПТУРС). Современные ПТУРС имеют скорости 300-500 м/с. Но уже появились ПТУРС со скоростями более 1 км/с. Например, ПТУРС «Гермес» [6, 7] уже имеет скорость 1300 м/с, не исключено появление целей с более высокими скоростными характеристиками. В то же время для поражения цели в основном используются осколочные боеприпасы. Не останавливаясь на эффективности подобного метода, следует заметить, что не исключено создание полностью легкобронированных ПТУРС, что потребует перейти от осколочного уничтожения ПТУРС к кинетическому или фугасно-кумулятивному. Для реализации таких методов невозможно будет использовать импульсную радиолокацию, так как потребуется намного более точное знание местоположения цели в пространстве в ближней зоне защищаемого объекта, что не реализуется импульсной радиолокацией ввиду больших затрат времени на ожидание отраженного сигнала из-за возможности прихода ранее посланных и отраженных импульсов. Отчасти это и обуславливает применение осколочных методов [4] уничтожения ПТУРС в большом объеме пространства, где предположительно и находится цель. Более точное угловое положение цели может обеспечить только непрерывная радиолокация.This method can be used to protect armored vehicles and aircraft. The known arena [4, 5] are the active protection systems (SAZ) “Arena” and “Drozd”, which are used to protect armored vehicles, but have not become widespread for use and are more likely prototypes for working out individual elements of the system as a whole. Ways to use SAZ can be generally divided into two groups: the detection of ATGM (anti-tank guided missile) and its destruction. The present invention can be used as a method for detecting (and tracking) targets (ATGM). Modern ATGM have a speed of 300-500 m / s. But there have already appeared ATGM with speeds of more than 1 km / s. For example, ATGM “Hermes” [6, 7] already has a speed of 1300 m / s, the appearance of targets with higher speed characteristics is not ruled out. At the same time, fragmentation ammunition is mainly used to hit the target. Without dwelling on the effectiveness of such a method, it should be noted that the creation of fully lightly armored ATGMs is not excluded, which will require a transition from fragmentation destruction of ATGMs to kinetic or explosive-cumulative. For the implementation of such methods, it will not be possible to use pulsed radar, since it will require much more accurate knowledge of the target’s location in space in the near zone of the protected object, which is not realized by pulsed radar due to the time it takes to wait for the reflected signal due to the possibility of the arrival of previously sent and reflected pulses . In part, this determines the use of fragmentation methods [4] for the destruction of ATGMs in a large volume of space, where the target is supposedly located. A more accurate angular position of the target can provide only continuous radar.

В радиусе примерно 1 км при непрерывно излучаемой мощности порядка 1 кВт распределение энергии по площади составит примерно 1/20000 Вт/м². Если цель представляет собой ПТУРС, изготовленный по технологии «Стелс», то при его калибре порядка 120-150 мм (площадь сечения ~0,0225 м²) Эффективную Поверхность Рассеивания (ЭПР) можно принять равной 0,001 м². Следовательно, будет отражена энергия от цели в окружающее пространство равномерно по всем углам с площади ЭПР 0,001 м² и только 1/20000000 ее дойдет до приемного устройства - ФАР. То есть на входе ФАР будет действовать отраженный сигнал мощностью 10^-15Вт, что сравнимо [6; 3, стр.343] с современными параметрами приемных устройств, которые по причинам секретности могут быть занижены. На расстоянии 100 м мощность отраженного сигнала возрастет на два порядка пропорционально расстоянию. Учитывая, что цель летит к объекту защиты, цель определяется по доплеровскому смещению частоты, которая для РЛС диапазона 3 мм составит от 100 кГц до 4 МГц при скоростях цели от 100 до 2000 м/с. Применение обнаружения цели по ее доплеровской частоте позволит избежать засветки ФАР излучением передающих антенн близкорасположенных танков и от отражения своего же собственного излучения от окружающей местности [3, стр.59]. Для реализации электромагнитной совместимости достаточно сдвинуть частотный диапазон в подразделении на частоту, большую в 2 раза доплеровской частоты от самой быстрой цели. Частотный диапазон доплеровского излучения позволяет применить для его обработки полупроводниковые изделия, например полевые транзисторы. Применение во входном каскаде для усиления доплеровской частоты каскада на полевом транзисторе с входным сопротивлением 100 кОм позволит получить входное напряжение 10 мкВ при входной мощности 10^-15 Вт. Современные связные приемники [2, стр.237] обладают чувствительностью до 0,25 мкВ и это обуславливается только практической необходимостью. То есть данный способ непрерывной радиолокации теоретически возможен и промышленно применим.Within a radius of about 1 km with a continuously radiated power of about 1 kW, the energy distribution over the area will be approximately 1/20000 W / m ² . If the target is an ATGM made using the Stealth technology, then with its caliber of the order of 120-150 mm (cross-sectional area ~ 0.0225 m ² ), the Effective Scattering Surface (EPR) can be taken equal to 0.001 m ² . Therefore, the energy from the target to the surrounding space will be reflected uniformly in all angles from the EPR area of 0.001 m ² and only 1/20000000 of it will reach the receiving device - PAR. That is, a reflected signal with a power of 10 ^-15 W will act at the input of the HEADLIGHTER, which is comparable [6; 3, p. 343] with modern parameters of receiving devices, which for reasons of secrecy can be underestimated. At a distance of 100 m, the power of the reflected signal will increase by two orders of magnitude in proportion to the distance. Given that the target flies to the object of protection, the target is determined by the Doppler frequency offset, which for radars of the 3 mm range will be from 100 kHz to 4 MHz at target speeds from 100 to 2000 m / s. The use of target detection by its Doppler frequency will allow avoiding the PAR illumination by radiation from transmitting antennas of nearby tanks and from reflection of their own radiation from the surrounding area [3, p. 59]. To implement electromagnetic compatibility, it is enough to shift the frequency range in the unit by a frequency that is 2 times larger than the Doppler frequency from the fastest target. The frequency range of Doppler radiation allows the use of semiconductor products, for example field effect transistors, for its processing. Application in the input stage to amplify the Doppler frequency of the cascade on a field effect transistor with an input resistance of 100 kOhm will allow you to obtain an input voltage of 10 μV with an input power of 10 ^-15 watts. Modern connected receivers [2, p. 237] have a sensitivity of up to 0.25 μV and this is due only to practical necessity. That is, this method of continuous radar is theoretically possible and industrially applicable.

Возможно применение вышеуказанного метода непрерывной радиолокации в сочетании с импульсной ФАР с широкой диаграммой направленности для определения дальности до цели по ее доплеровскому смещению частоты.It is possible to use the above method of continuous radar in combination with a pulsed headlamp with a wide radiation pattern to determine the range to the target by its Doppler frequency shift.

Данный способ непрерывной радиолокации возможно применить в системах видеоконтроля, в том числе скрытых. При этом излучение осуществляется на микроволнах или ультразвуке, а принятое отраженное излучение проходит селекцию по дальности, углу и силе отраженного сигнала и преобразуется в видимое телеизображение. В малых дозах микроволны неопасны для человека, а разная отражающая способность стройматериалов, тканей живых организмов, предметов быта и одежды, металлических и прочих предметов (а также сознательная модификация таких свойств у этих предметов) позволит более информативно и управляемо вести методы контроля и видеонаблюдения. Данный способ применим и акустике, позволяя создать, например, приборы видения под водой (дальность неограничена, в том числе и в коллоидных и вязких средах), как обычные, так и стереоскопические.This method of continuous radar can be used in video monitoring systems, including hidden ones. In this case, the radiation is carried out on microwaves or ultrasound, and the received reflected radiation is selected in range, angle and strength of the reflected signal and is converted into a visible television image. In small doses, microwaves are harmless to humans, and the different reflective ability of building materials, tissues of living organisms, household items and clothes, metal and other items (as well as conscious modification of such properties in these items) will allow for more informative and controllable monitoring and video surveillance methods. This method is also applicable to acoustics, allowing you to create, for example, vision devices under water (the range is unlimited, including in colloidal and viscous media), both conventional and stereoscopic.

Применение стереоскопических способов (в том числе трех- (и более) -мерных) позволит создать более совершенные приборы для диагностики объемных и поверхностных свойств и границ пространства в электромагнитном, акустическом и оптическом диапазоне.The use of stereoscopic methods (including three- (or more) -dimensional) will allow us to create more advanced instruments for the diagnosis of volumetric and surface properties and space boundaries in the electromagnetic, acoustic and optical range.

Список литературыBibliography

1. В.В.Пясецкий. Спутниковое телевидение и телевизионные антенны, Минск, Полымя, 1999 г.1. V.V. Pyasetskiy. Satellite television and television antennas, Minsk, Polymya, 1999

2. В.Т.Поляков. Радиолюбителям о технике прямого преобразования, Москва, Патриот, 1990.2. V.T. Polyakov. Radio amateurs about the technique of direct conversion, Moscow, Patriot, 1990.

3. Справочник по основам радиолокационной техники под ред. В.В. Дружинина, Военное издательство Министерства Обороны СССР, Москва, 1967 г.3. Guide to the basics of radar technology, ed. V.V. Druzhinin, Military Publishing House of the Ministry of Defense of the USSR, Moscow, 1967

Информация на прилагаемом магнитном носителе (сохраненные веб-страницы и рисунок):Information on the attached magnetic medium (saved web pages and picture):

4. «Танку ПТУР не страшен!» - 1, 4, 5, 6.4. “Tank ATGM is not scary!” - 1, 4, 5, 6.

5. Гермес 1.5. Hermes 1.

6. Вооружение войск ПВО (РТВ) РЛС ЗРК Оса.6. Armament of the Air Defense Forces (RTV) radar of the Osa SAM system.

7. hermes-a.7. hermes-a.

Claims

A radar method using a phased array antenna (PAR), characterized in that the omnidirectional transmitting antenna carries out continuous radiation with the possibility of creating in the reception zone of the PAR, continuous in time and space of an electromagnetic field created from reflected from different purposes pulses emitted by the omnidirectional transmitting antenna, and received PARs, while scanning the viewing area of the PAR space at reception is carried out continuously and synchronized with continuous radiation using a linearly-frequency-modulated pulse (chirp pulse) of an omnidirectional transmitting antenna, which allows selection of targets in direction and range, as well as with the possibility of simultaneously increasing the speed, frequency and resolution of radar targets regardless of their range and solid angle of view of the space at the same time increasing the latter.