CZ22433U1 - Mikrovlnný systém pro detekci, lokalizaci a identifikaci ohrožujících střel - Google Patents

Description

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká bezkontaktního mikrovlnného zařízení schopného detekovat, lokalizovat nebo identifikovat střely ohrožující vojenská vozidla.

Dosavadní stav techniky

Vojenská vozidla nejrůznějších typů patří mezi nejvíce ohrožené vojenské cíle, a to i vozidla velmi dobře opancéřovaná. Důvodem je existence velkého počtu velmi účinných střel, které jsou schopné prorazit i velmi silné pancíře. V současné době, kdy lze očekávat zejména ozbrojené konflikty teroristického typu v rozvojových zemích, jsou ze strategického hlediska nejvíce nebezpečné tzv. kumulativní střely. Ty mají hlavici s náloží a měděným kalíškem, hlavice je přitom poháněna malým raketovým motorem. Při dopadu na cíl je aktivována nálož, která stlačí kalíšek a vytvoří z něj cca 10 mm silný paprsek stlačené mědi pohybující se rychlostí až lOOOOm/s. Takový paprsek je schopný prorazit pancíř až 300 mm silný. Hlavní nebezpečí kumulativních střel je v tom, že jsou výrobně velmi levné, byly jich vyrobeny desítky miliónů kusů, mohou být odpáleny z jednoduchého ručního odpalovače a jsou jimi vybaveny oficiální i neoficiální armády a teroristické skupiny i v těch nejchudších zemích třetího světa. Tyto kumulativní střely představují extrémní nebezpečí nejen pro jakékoliv vozidlo, ale třeba i pro vrtulník, a to téměř kdekoliv na světě.

Při takových schopnostech a rozšíření protipancéřových střel není možné ani efektivní zvyšovat bezpečnost vojenských vozidel zvyšováním tloušťky pancířů. Vozidla s extrémně silnými pancíři by byla velmi drahá, velmi těžká, měla by špatnou průchodnost a byla by špatně ovladatelná. Pozornost je proto spíše zaměřována na tzv. aktivní ochranu. Principem aktivní ochrany je detekce letící proti pancéřové střely a aktivace určité formy protistrely, která je schopná střelu ohrožující bojové vozidlo zneškodnit nebo alespoň snížit její účinky. Obranné prostředky tohoto typu jsou zatím v mnoha ohledech ve stádiu vývoje, nicméně některé z nich dosahují pozoruhodné výsledky a jsou určitě velmi perspektivní.

Základem většiny prostředků aktivní ochrany je senzor nebo skupina senzorů, které jsou schopné detekovat letící ohrožující střelu a generovat spouštěcí impulsy pro aktivaci protistřely. Pro detekci mohou týto senzory využívat optické paprsky nebo elektromagnetické vlny v mikrovlnné frekvenční oblasti. Výhodou optických systémů je možnost přesnější lokalizaci střely, jejich základní nevýhodou je jejich značná citlivost na prach nebo vodní kapky. Proto jsou pro vojenské účely velmi často vyvíjeny a používány systémy mikrovlnné.

Senzory využívající elektromagnetické vlny jsou obvykle založené na radarovém principu. Vysílač senzoru spolu s vysílací anténou vyšlou k monitorované střele mikrovlnný výkon, jehož malá část se od střely odráží a vrací se zpět k přijímači. Z přijaté odražené vlny lze vyhodnotit některé důležité parametry střely.

Stávající systémy aktivní ochrany obvykle pracují s detekcí ohrožujících střel ve střední až vzdálené zóně, obvykle od cca 50 do 300 m s tím, že pomocí odpalovaných proti střel jsou ohrožující střely zneškodňovány ve vzdálenosti několik desítek m od vozidla, typicky 30 až 50 m. Výhodou této koncepce je to, že ke zneškodnění dojde ve značné vzdálenosti a obvykle stačí i pouhé odklonění střely. Čím větší je vzdálenost zneškodnění, tím je samozřejmě větší bezpečnost vozidla. Na druhou stranu detekce a zneškodnění ve vzdálené zóně přinášejí řadu jiných problémů, které jsou dále popsány.

Radarový senzor musí střelu přesně najít, lokalizovat a sledovat její let, to zvyšuje nároky na parametry a cenu použitých radarů. Zneškodňování ve vzdálené zóně je náročné na přesnost navedení protistrel, ohrožující střelu lze snadno minout. Při zneškodňování ve vzdálené zóně může být velmi nebezpečné pro případné vlastní vojáky nebo civilisty v okolí vozidla. Systémy jsou obvykle neúčinné, pokud k napadení dojde z bezprostředního okolí vozidla pro vzdálenosti

- I CZ 22433 Ul menší než 50 m, například pri bojích ve městě. Senzory nemusí být schopné tak rychle zareagovat a nemusí být čas navést protistřelu nebo protistřely.

Proto je stále aktuální vývoj systémů aktivní ochrany pracujících v bezprostřední blízkosti chráněného vozidla. Ty používají protistřely likvidující ohrožující střely ve vzdálenosti jen několik m od vozidla. Aby bylo možné takovou protistřelu správně navést, je nutné velmi přesně určit polohu ohrožující střely ve vztahu ke chráněnému vozidlu, a to v některých rozměrech s přesností až cca ± 10 cm. To je pro většinu standardních radarových senzorů složitý problém. Použito může být mikrovlnné zařízení, které je předmětem tohoto řešení.

Podstata technického řešení ío Výše uvedené nevýhody odstraňuje mikrovlnný systém pro detekci, lokalizaci a identifikaci ohrožujících střel podle předkládaného řešení. Tento systém je tvořený alespoň jedním radarovým senzorem s anténou nebo anténami, které jsou buď jeho součástí, nebojsou k němu připojeny koaxiálními kabely. Radarový senzor se skládá z mikrovlnného vysílače a mikrovlnného přijímače. Podstatou nového řešení je, že radarové senzory jsou senzory s analogovým nízt5 kofrekvenčním nebo digitálním výstupem, a na tomto výstupu mají informaci o amplitudě úměrné amplitudě přijatého signálu odraženého od střely a o frekvencí rovné dopplerovskému posuvu frekvence přijatého signálu vůči frekvenci vyslaného signálu. Antény radarových senzorů mají vyzařovací diagramy ve vertikální rovině úzké a v horizontální rovině široké. Tyto antény jsou umístěny nad chráněnou částí vozidla ve výšce h_a, která je větší než výška h₂ chráněné části daného vozidla od země a orientovány tak, že osy vyzařovacích diagramů antén jsou ve vertikální rovině skloněny pod úhlem a v rozmezí 20° až 70° vzhledem ke svis líc i procházející stěnou chráněné části vozidla v místě, kde je anténa daného radarového senzoru umístěna a zároveň osy vyzařovacích diagramů antén v horizontální rovině v tomto místě svírají se stěnou vozidla úhel ε v rozmezí 20° až 160°. Počet a rozmístění radarových senzorů nad chráněnou částí vozidla je zvolen tak, že se vyzařovací diagramy jim příslušejících antén v horizontální rovině částečně překrývají a výstup každého radarového senzoru je v případě, je-li digitální, přímo, a v případě, je-li analogový nízkofrekvenční, tak přes jemu příslušející A/D převodník připojen na digitální vstupy jednotek rychlého zpracování dat. Každá z nich má N digitálních vstupů. Pro L radarových senzorů je použito M jednotek rychlého zpracování dat, kde M=L-N+1. Digitální vstupy

3o každé jednotky rychlého zpracování dat jsou připojeny na výstupy N sousedních radarových senzorů nebo v případě, že jsou použity radarové senzory s analogovým nízkofrekvenčním výstupem, pak na výstupy příslušných A/D převodníků, a to tak, že připojení vstupů dvou sousedních jednotek rychlého zpracování dat se liší jen v jednom výstupu radarového senzoru respektive jemu příslušejícího A/D převodníku. Každá jednotka rychlého zpracování dat je tvořena řadou paralelně a rychle pracujících procesorů. Každý z nich sestává z řetězce sériově zapojeného bloku výpočtu rychlé Fourierovy transformace FFT bloku potlačení rušení a bloku prahování. Výstupy těchto řetězců jsou propojeny pres blok určení maximální dopplerovské frekvence a výpočtu polohy střely s blokem nastavení stavu aktivní/neaktivní dané jednotky rychlého zpracování dat. Výstupy všech jednotek rychlého zpracování jsou připojeny na datové vstupy společné vyhodnocovací jednotky, která je tvořena jedním digitálním procesorem, konfigurovaným na vstupu jako blok určení jednotky s naměřenou maximální dopplerovskou frekvencí a na něj navazujícím blokem inicializátorů protistřel zařazených na výstupu vyhodnocovací jednotky. Vyhodnocovací jednotka má dále řídicí výstupy propojené se všemi bloky jednotek rychlého zpracování dat a je zároveň obousměrně propojena s elektronickými obvody bojového vozidla.

Typické je, že osy vyzařovacích diagramů antén jsou ve vertikální rovině skloněny pod úhlem a 45° vzhledem ke svislici procházející stěnou chráněné části vozidla v místě, kde je anténa daného radarového senzoru umístěna a zároveň osy horizontálních vyzařovacích diagramů antén v tomto místě svírají se stěnou vozidla úhel ε 90°.

- 2 CZ 22433 Ul

Jako radarové senzory lze použít například CW radarové senzory s koherentním zpracováním přijatého signálu. Jednotky rychlého zpracování dat jsou s výhodou realizovány programovatelnými hradlovými poli FPGA.

Výhodou nového řešení je, že k detekci ohrožujících střel a určení jejich horizontální polohy dojde v bezprostřední blízkosti chráněného vozidla. Detekce je tak schopná reagovat i na střely vypálené v blízkosti bojového vozidla, například při boji v městské zástavbě. To je bojová situace, při které selhávají existující systémy aktivní ochrany pracující s detekcí ve a zneškodněním ve vzdálenějších zónách. Detekce vniku ohrožující střely do okolí chráněného vozidla je přesná a je možné efektivně aktivovat vhodnou protistřelu, která ohrožující střelu zneškodní nebo alespoň io významně zmírní její účinky.

Objasnění výkresů

Řešení bude dále popsáno pomocí přiložených obrázků. Na Obr. 1 je znázorněn typický vyzařovací diagram použitých antén ve vertikální rovině a na Obr. 2 je uveden typický vyzařovací diagram antén v horizontální rovině. Obr. 3 znázorňuje boční pohled a Obr. 4 pohled shora na uspo15 řádání senzorů mikrovlnného systému na chráněném vozidle. Na Obr. 5 jsou znázorněny proměnné potřebné pro určení horizontální polohy ohrožující střely. Obr. 6 je schematicky naznačuje blokové schéma obvodů signálového zpracování se zařazením A/D převodníků a na Obr. 7 je totéž uspořádání, avšak bez A/D převodníků. Vnitřní zapojení jednotky rychlého zpracování dat, vyhodnocovací jednotky a jejich vzájemných návazností jsou uvedeny na Obr. 8.

2t) Příklady uskutečnění technického řešení

Mikrovlnný systém pro detekci, lokalizaci a identifikaci ohrožujících střel, který je předmětem tohoto řešení, pracuje jako mikrovlnná závora. Ta je vytvořena elektromagnetickým polem soustředěným přibližně do plochy, přičemž zařízení je schopné indikovat průlet ohrožující střely touto plochou.

Mikrovlnnou závoru lze sestavit z jednoho nebo několika radarových senzorů RSj i ε <1, L> schopných indikovat průlet ohrožujících střel. Tyto radarové senzory RS, jsou dále vybaveny anténami s vyzařovacími diagramy úzkými ve vertikální rovině a širokými v horizontální rovině. Typické vyzařovací charakteristiky jsou uvedeny na Obr. 1 a Obr. 2. Antény jsou přímo součástí radarových senzorů RS; nebo mohou být k nim připojeny koaxiálními kabely.

Mikrovlnná závora musí být ve vztahu ke chráněnému vozidlu umístěna tak, aby střela prošla touto závorou v určité vzdálenosti před vozidlem, a aby vertikální úhel Ó, pod kterým vniká střela do závory, byl co nejvíce různý od 0° nebo 90°, viz Obr. 3. Tyto podmínky lze splnit tak, že senzorové antény, případně i celé radarové senzory RS, jsou umístěny nad chráněným vozidlem, respektive nad chráněnou částí vozidla, přičemž osy jejich vertikálních vyzařovacích diagramů 35 na Obr. 1 prochází vertikální osa diagramu úhlem 0° - svírají při bočním pohledu se svislicí procházející boční stěnou chráněného vozidla úhel a, viz Obr. 3. Vzhledem k výše uvedené podmínce je typická hodnota pro střely přilétající vodorovně nebo mírně shora nebo zdola a = 45°, avšak může se pohybovat v rozmezí 20° až 70°. Osy antén v horizontální rovině svírají se stěnou chráněného vozidla obvykle úhel ε s 90°, viz Obr. 4, avšak opět to může být úhel v rozmezí 20° až 160° , přičemž úhly výrazně odlišné od 90° jsou obvykle používány pro pokrytí rohů nebo tvarových abnormalit. Počet použitých radarových senzorů RS; a jejich vzdálenosti v horizontální rovině, viz Obr. 4, jsou zvoleny tak, aby se vyzařovací charakteristiky antén v horizontální rovině vždy částečně překrývaly a celé okolí stěny chráněného vozidla tak bylo pokryto dostatečnou energií elektromagnetického pole.

Pro konstrukci předmětného mikrovlnného systému mohou být použity radarové senzory RS„ které poskytují analogovou nebo digitální informaci o dopplerovském posuvu frekvence přijatého signálu vzhledem k frekvenci vysílaného signálu a o amplitudě signálu odraženého od střely, umí indikovat průlet ohrožující střely prostorem v bezprostřední blízkosti antén a mají takový

-3CZ 22433 Ul dosah, aby byl pokryt celý požadovaný výškový rozsah ochrany. Požadovaný výškový rozsah ochrany je dán minimální výškou h_h nad kterou je ochrana požadována, obvykle A] = 0,5 m, což odpovídá oblasti kol a podvozku, kterou není potřeba proti střelám chránit, a nej vyšší výškou A?, pro kterou je ochrana požadována, obvykle h₂ je shodná s výškou té části vozidla, ve které je osádka. Senzorové antény jsou umístěny ve výšce A_ZJ, která je větší než výška fr. Potřebný dosah radaru je dán nejnižší hodnotou R_A, což je minimální vzdálenost antény, kde již radar musí fungovat, a nejvyšší potřebnou hodnotou R_B, což je vzdálenost od antény, kde radar ještě musí fungovat, kde R_a a R_B jsou dány vtahy

cos a

cos a

Pro typické hodnoty h\ = 0,5 m, A? = 2,0 m, h_a = 2,5 m a a= 45° , vychází hodnoty R_A - 0,707 m a Rs - 2,8 m. Vedle požadavků na dosah musí použitelné radarové senzory RSi splňovat tu podmínku, že musí udávat informaci o amplitudě přijatých signálů a musí umožňovat dopplerovské zpracování přijatých signálů, tedy poskytovat informace o dopplerovském posuvu frekvence přijatého signálu vlivem pohybu cíle vzhledem ke chráněnému vozidlu. Pokud mají použité radarové senzory RSi analogové nízkofrekvenční výstupy, tak jsou na ně před dalším signálovým zpracováním připojeny A/D převodníky A/Di, viz Obr. 6. Pokud mají použité radarové senzory RSi přímo digitální výstupy, jsou na obvody dalšího signálového zpracování, viz Obr. 7, připojitelné přímo. Typickým příkladem použitelných radarových senzorů RSi s analogovými nízkofrekvenčními výstupy mohou být CW radarové senzory s koherentním zpracováním přijatého signálu. Ty vysílají mikrovlnný harmonický signál bez modulace a přijatý signál se násobí se vzorkem signálu vyslaného. Na výstupu takového senzoru je nízkofrekvenční signál s amplitudou úměrnou amplitudě přijatého signálu odraženého od ohrožující střely a s frekvencí rovnou dopplerovskému posuvu. Tento typ radarového senzoru je dále v textu použit pro odvození metody určování horizontální polohy ohrožující střely vzhledem ke chráněnému vozidlu.

Výstup každého radarového senzoru RSi je v případě, je-li digitální, přímo, a v případě, je-li analogový nízkofrekvenční, tak přes jemu příslušející A/D převodník A/Di připojen na digitální vstupy jednotek RZDj j ε <A,M> rychlého zpracování dat, kteréjsou tvořené řadou paralelně a rychle pracujících procesorů. Každá jednotka RZDj rychlého zpracování má N digitálních vstupů Yi až Vn a pro L radarových senzorů RS, je použito M jednotek RZD, rychlého zpracování dat, kde M=L-N+1. Na digitální vstupy každé jednotky RZD; rychlého zpracování dat jsou připojeny výstupy N sousedních radarových senzorů RS; nebojím příslušejících A/D převodníků ADi. Připojení vstupů dvou sousedních jednotek RZDj a RZD^. respektive RZDj a RZD,-; rychlého zpracování dat se liší jen v jednom výstupu radarového senzoru RSi nebo jemu příslušejícího A/D převodníku A/Dj.

Každá jednotka RZDj rychlého zpracování dat je tvořena řadou paralelně a rychle pracujících procesorů, typicky realizovaných v prostředí FPGA, a to v zapojení dle Obr. 8. Každý z nich sestává z řetězce sériově zapojeného bloku výpočtu FFTk, bloku potlačení rušení PRy a bloku prahování PFL. kde A ε <1,N>. Výstupy těchto řetězců jsou propojeny přes blok FMX/POL určení maximální dopplerovské frekvence a výpočtu polohy střely s blokem ON/OFF nastavení stavu aktivní/neaktivní dané jednotky RZD, rychlého zpracování dat. Výstupy všech jednotek RDZj rychlého zpracování j sou připojeny na datové vstupy D₃ až D_M společné vyhodnocovací jednotky VJ. Ta je tvořena jedním digitálním procesorem konfigurovaným na vstupu jako blok FMX určení jednotky RZD; s naměřenou maximální dopplerovskou frekvencí a na něj navazujícím blokem IPS inicializátorů protístrel PS_t_ až PSq zařazených na výstupu vyhodnocovací jednotky VJ. Vyhodnocovací jednotka má dále řídicí výstupy R; až R_M, které jsou propojené se všemi

-4CZ 22433 Ul bloky jednotek RZP; rychlého zpracování dat a je zároveň obousměrně propojena s elektronickými obvody EBV bojového vozidla.

Procedury implementované v jednotkách RZDí rychlého zpracování dat provádějí zejména výpočet spektra pomocí metod FFT v bloku výpočtu FFTk. v bloku potlačení rušení PRi řídí potlačení rušivých signálů a v bloku prahování Pík pomocí měření úrovně přijatého signálu odraženého od ohrožující střely a porovnáváním s prahovou hodnotou určují přítomnost ohrožující střely. Bloky prahování Plk indikují přibližující se střelu v případě, kdy se ve sledovaných částech spektra objeví signál s amplitudou větší, než je nastavená minimální amplituda. Blok FMX/POL určení maximální dopplerovské frekvence a výpočtu polohy střely určuje, který radarový senzor RS,, z těch, které jsou připojeny k dané jednotce RZP, rychlého zpracování dat měří maximální hodnotu dopplerovské frekvence. Přitom, vyjma krajních jednotek RZDi a RZD_M rychlého zpracování dat nebere tento blok v úvahu krajní vstupy V_L a Vn. Na základě změřených dopplerovských frekvencí z radarových senzorů RS, připojených na danou jednotku RZDí rychlého zpracování dat také počítá nejpravděpodobnější horizontální polohu ohrožující střely. Blok ON/OFF nastavení stavu aktivní/neaktivní dané jednotky RZDj rychlého zpracování dat na pokyn vyhodnocovací jednotky VJ deklaruje danou jednotku RZDí rychlého zpracování dat jako aktivní nebo neaktivní. Aktivní jednotka RZDí rychlého zpracování dat dává pokyn pro odpálení protistřely a poskytuje data o horizontální poloze ohrožující střely. Neaktivní jednotky RZP, rychlého zpracování dat jsou na určitou dobu vyřazeny z funkce. Bloky výpočtu FFTk, bloky potlačení rušení PRi. bloky prahování PIL. bloky FMX/POL určení maximální dopplerovské frekvence a výpočtu polohy střely i blok ON/OFF nastavení stavu aktivní/neaktivní dané jednotky RZDí rychlého zpracování dat je možné nastavovat a řídit pomocí řídicí výstupů Rjj ε Ι,ΛΥ jednotek RZDj rychlého zpracování dat.

Výstupy všech jednotek RDZ, rychlého zpracování dat jsou připojeny na vstup společné vyhodnocovací jednotky VJ, které předávají zejména informace o nej vyšších naměřených hodnotách dopplerovských frekvencí ve spektru, které jsou rozhodující pro určení horizontální polohy střely.

Blok FMX určení jednotky RZDj s naměřenou maximální dopplerovskou frekvenci ve vyhodnocovací jednotce VJ, která je tvořena jedním digitálním procesorem, typicky také realizovaným v prostředí FPGA, čte informace o naměřených a vypočtených dopplerovských frekvencích z výstupů jednotek RZDj rychlého zpracování dat a určuje tu z nich, která udává hodnotu nejvyšší. Jednotku RZD, rychlého zpracování dat s nejvyšší naměřenou hodnotou dopplerovské frekvence prohlásí za aktivní, a to přes příslušný řídicí výstup Rj. Ostatní jednotky RZD_; rychlého zpracování dat jsou nastaveny jako neaktivní. Vyhodnocovací jednotka VJ si z aktivní jednotky RZDj rychlého zpracování dat přečte informaci o horizontální poloze ohrožující střely, určí nej vhodnější protistřelu nebo protistřely a pošle bloku IPS iniciálizátoru protistřely nebo protistřel pokyn k odpálení. Vyhodnocovací jednotka VJ komunikuje s elektronickými obvody EBV bojového vozidla, a to případně i dalšími komponentami systému aktivní ochrany. Tato komunikace se používá například pro zapnutí nebo vypnutí aktivní ochrany, nebo pro aktuální nastavení jednotlivých jednotek a bloků.

Každý radarový senzor RS,_: i ε < 1 ,Á> se skládá z mikrovlnného vysílače TX, a mikrovlnného přijímače RXi, viz Obr. 5. Vysílač TX, spolu s vysílací anténou nebo společnou anténou pro vysílač i přijímač ozařuje předmětný prostor elektromagnetickou vlnou s dostatečnou energií. Při průletu střely vytvořeným elektromagnetickým polem, dochází k odrazům vln od střely, což indikuje radarový přijímač RXi- Vzhledem k tomu, že je elektromagnetické pole koncentrováno ve vertikální rovině do relativně úzkého paprsku, je možné poměrně přesně indikovat přílet ohrožující střely k vozidlu. Vniknutí střely do pole antén je indikováno jako relativně silný signál na výstupu těch radarových přijímačů RXj, jejichž antény jsou v blízkosti ohrožující střely. Přitom horizontální polohu ohrožující střely ve vztahu ke chráněnému vozidlu lze odvodit z charakteru signálů jednotlivých radarových senzorů RS,. Stanovení horizontální polohy ohrožující střely ve vztahu k chráněnému vozidlu je důležité pro aktivaci vhodné protistřely.

-5 CZ 22433 Ul

Předmětnou mikrovlnnou závoru lze použít i pro identifikaci ohrožujících střel. A to v tom případě, že se střela nechá prolétnout celým elektromagnetickým polem vytvořeným mikrovlnnou závorou. Každá střela je jinak dlouhá a pod různými úhly jinak odráží elektromagnetické vlny. Proto se signály zaznamenané při průletu různých typů střel liší a lze je použít pro identifikaci střel. To může být důležité pro odlišení ohrožujících střel od střel relativně neškodných.

Pro stanovení pozice ohrožující střely v horizontální rovině je možné využít dopplerovský frekvenční posuv vznikající při ozařování pohybující se střely elektromagnetickým polem a při příjmu vlny odražené od této střely.

Signál s_rxj (i) vyslaný vysílačem TXj v i-tém radarovém senzoru RSj, viz Obr. 5, lze popsat pomocí vztahu:

^sTXi (0 ⁼ ^7ΆΪ + ^TXi )

Přitom Atxí je jeho amplituda, <wjeho úhlová frekvence a ψ_ΓΛΪ jeho počáteční fáze. Ve vzdálenosti R, se signál s_Txí odrazí od letící sledované střely, přičemž vzdálenost Rj je dána vztahem:

— Kw + v_m/sinasin/?_i

V tomto vztahu je Rq, vzdálenost v čase t - 0, v_m je rychlost střely a úhly a a $ jsou popsány na Obr. 3 a Obr. 5. Signál srxÍ (t) přijatý přijímačem RX, v i-tém radarovém senzoru RS, lze popsat vztahem:

Srxí (0 = cos[<»(/ - T,) + ]

Přitom je jeho amplituda a ψ_ΚΧι jeho počáteční fáze. Časové zpoždění η lze popsat vztahem:

2Rj _ 2 j?_Of + 2v_mt sin a sin β₍ ¹ c c

V tomto vztahu je c rychlost světla ve vzduchu. Dosazením vztahu pro z· do popisu Srx,(1) lze odvodit výsledný vztah:

/.χ . Γ .zt 2v_msinasinj0L 2toR

SrxM = Arxí cod <ot(\--2-ZL) L C c

Tento vztah ukazuje, že frekvence přijatého signálu je posunuta vzhledem k frekvenci vysílaného signálu ω , Frekvenční posuv, obvykle popisovaný jako Dopplerův frekvenční posuv lze vyjádřit vztahem:

2cuv_m sin a sin A =-—_c-‘

Vztah ukazuje, že frekvenční posuv závisí na rychlosti letící střely a, což důležité, také na úhlech a a βί. Úhel aje pri vodorovné poloze vozidla konstantní, úhly β se přitom velmi liší dle aktuální polohy detekované střely a i-tého senzoru. Pokud je v mikrovlnné závoře použito více senzorů RSj umožňujících měření dopplerovského frekvenčního posuvu způsobeného odrazem od sledované letící střely, tak je možné, alespoň přibližně, na základě více změřených hodnot a_doppi určit i horizontální polohu letící střely ve vztahu ke chráněnému vozidlu.

-6CZ 22433 Ul

Stanovení alespoň přibližné horizontální polohy ohrožující střely lze přitom provést na základě vztahu pro á>_dopph přičemž nejpravděpodobnější místo polohy dopadu střely je pod radarovým senzorem RSi s nejvyšší měřenou hodnotou a>do_PPh

Horizontální polohu lze tedy určovat více úrovňovým porovnáváním hodnot a_doppi z více senzo5 rů, a to v zapojení dle Obr. 6.

Pro pokrytí jedné stěny chráněného vozidla je použito L mikrovlnných radarových senzorů RSj, viz Obr. 4. Ty mají takovou konstrukci, aby podle typu na jejich analogových nízkofrekvenčních výstupech nebo na jejich digitálních výstupech byly informace o amplitudě odražených signálů a jejich dopplerovských frekvenčních posuvech. V případě použití analogových RS s analogovými to nízkofrekvenčními výstupy jsou výstupní signály před dalším zpracováním vzorkovány pomocí

A/D převodníků A/Dj a převáděny na rychlé toky digitálních dat. Pro zpracování rychlých toků dat jsou použity jednotky RZDi / ε < 1 rychlého zpracování dat.

Jednotky RZD, rychlého zpracování dat jsou založeny na práci řady paralelně a velmi rychle pracujících procesorů, typické je použití programovatelných hradlových polí FPGA. Ta splňují podmínku vysoké rychlosti výpočtů a v jednom větším hradlovém poli lze vytvořit i potřebný počet paralelně pracujících procesorů. Každá z jednotek RZDi rychlého zpracování dat má N digitálních vstupů V_k k ε <1,A> a paralelně zpracovává signály z N radarových senzorů RSi, obvykle N = 3. Výstupy A/D převodníků A/Dj jsou na vstupy jednotek RDZj rychlého zpracování dat zapojeny tak, aby každá jednotka RDZj rychlého zpracování dat zpracovávala data z N sou20 sedních radarových senzorů RSj, přičemž sousední jednotky rychlého zpracování dat se mezi sebou liší jen v jednom připojeném radarovém senzoru RSj. Dále je pro názornost uveden příklad pro radarové senzory s digitálním výstupem, tedy bez zařazení A/D převodníků:

- Na jednotku RZD) jsou připojeny RSi, RS?,... RS_V

- Na jednotku RZD₂ jsou připojeny RS₂, RS₃,... RSyv+i

- Na jednotku RZD, jsou připojeny RSi, RS_i+],... RS_i+Az.i

- Na jednotku RZD_wjsou připojeny RSi-i, RS_Á

Při zpracování stanovuje každá jednotka RZDi / ε <l,Af> rychlého zpracování dat v definovaných časových úsecích úrovně signálů a vypočítává jejích frekvenční spektrum. Jednotky RZDi detekují přibližující se střelu jako frekvenčně relativně úzkopásmový signál s úrovní větší než defino30 váná hodnota minimální. Hodnoty jsou obvykle stanovovány jako nejvyšší hodnoty ve spektru, střední hodnoty ve spektru nebo hodnoty ve spektru odpovídající nej vyšším amplitudám. Stanovené hodnoty předají jednotky RZDi nadřazené vyhodnocovací jednotce VJ.

Nadřazená vyhodnocovací jednotka VJ je jen jedna a porovnávají se v ní data z jednotlivých jednotek RDZj rychlého zpracování dat. Vyhodnocovací jednotka VJ vybere tu jednotku RDZj, j ε rychlého zpracování dat, která poskytuje informace o nejvyšší naměřené dopplerovské frekvenci G)_doppi, prohlásí ji za aktivní a nastaví ostatní jednotky RDZj rychlého zpracování dat na chvíli jako neaktivní. Vzhledem k překryvu napojení radarových senzorů RS, na tyto jednotky RZD, rychlého zpracování dat přitom, kromě prvního radarového senzoru RS) a posledního, tedy L-tého radarového senzoru, RS_L, bere v úvahu jen ty, které nejsou zapojeny na krajní vstupy dané jednotky RZD, rychlého zpracování dat. Pokud L - 5 a V = 3 bude poskytovat nejvyšší hodnotu frekvence ω^ρϊ radarový senzor RS?, tak prohlásí jako aktivní jednotku RZD? rychlého zpracování dat, neboť ta má na vstupu připojeny radarové senzory RS?. RS? a RS4, přičemž radarový senzor RS? není na krajním vstupu.

V aktivní jednotce RDZj rychlého zpracování dat je provedeno finální určení horizontální polohy letící střely vzhledem k chráněné ploše vozidla. I toto vyhodnocení je prováděno na základě doppíerovských frekvencí změřených jednotlivými radarovými senzory RSj. Pokud střela letí přímo pod některým z nich, je (o_doppi generovaná tímto radarem nejvyšší a ostatní jsou nižší. Pokud jsou ti>do_PP, ze dvou sousedních radarových senzorů srovnatelné, tak střela letí z horizontálního pohledu na střed mezi předmětné dva radarové senzory. Aktivní jednotka RZDj rychlého zpracování

-7 CZ 22433 Ul dat pres vyhodnocovací jednotku VJ aktivuje jednu nebo i více protistřel ze sady PSi až PSg. Počet radarových senzorů RSj a jejich záběr musí být navržen tak, aby výše popsaná přesnost určení horizontální polohy letící střely byla dostatečná pro účely aktivní ochrany.

Průmyslová využitelnost

Navržený mikrovlnný systém lze použít v systémech aktivní ochrany bojových vozidel nebo jiných objektů, a to pro detekci a měření ohrožujících protipancéřových střel, určení jejich horizontální polohy ve vztahu ke chráněnému vozidlu, pro generování spouštěcích signálů pro aktivaci vhodné protistřely nebo protistřel, nebo pro provedení identifikace ohrožující střely.

Claims (5)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   10 1. Mikrovlnný systém pro detekci, lokalizaci a identifikaci ohrožujících střel tvořený alespoň jedním radarovým senzorem (RS,) opatřeným vysílací a přijímací anténou nebo společnou anténou pro vysílač i přijímač, které jsou buď součástí radarového senzoru (RSi) nebo jsou k němu připojeny koaxiálním kabelem nebo kabely a kde se tento radarový senzor (RSi) skládá z mikrovlnného vysílače (TXj) a mikrovlnného přijímače (RXj), vyznačující se tím, že rada15 rové senzory (RS,) jsou senzory mající na analogovém nízkofrekvenčním nebo digitálním výstupu informaci o amplitudě úměrné amplitudě přijatého signálu odraženého od střely a o frekvenci rovné dopplerovskému posuvu frekvence přijatého signálu vůči frekvenci vyslaného signálu a antény radarových senzorů (RS;) mají vyzařovací diagramy ve vertikální rovině úzké a v horizontální rovině široké a jsou umístěny nad chráněnou částí vozidla ve výšce (h_a), která je

   20 větší než výška (h₂) chráněné části daného vozidla a orientovány tak, že osy vyzařovacích diagramů antén jsou ve vertikální rovině skloněny pod úhlem a v rozmezí 20° až 70° vzhledem ke svislici procházející stěnou chráněné části vozidla v místě, kde jsou antény daného radarového senzoru (RS,) umístěny a zároveň osy vyzařovacích diagramů antén v horizontální rovině v tomto místě svírají se stěnou vozidla úhel ε v rozmezí 20° až 160°, přičemž počet a rozmístění radaro25 vých senzorů (RS_;) nad chráněnou částí vozidla je zvolen tak, že se vyzařovací diagramy jim příslušejících antén v horizontální rovině částečně překrývají a výstup každého radarového senzoru (RSj) je v případě, je-li digitální, přímo, a v případě, je-li analogový nízkofrekvenční, tak přes jemu příslušející A/D převodník (A/D,) připojen na digitální vstupy jednotek (RZDj) rychlého zpracování dat, kde každá jednotka (RZDj) rychlého zpracování dat má N digitálních vstupů

   30 (Vi až V_N) a pro celkem L radarových senzorů (RSi) je použito M jednotek (RZD_t) rychlého zpracování dat, kde M=L-N+1, a kde na digitální vstupy každé jednotky (RZDj) rychlého zpracování dat jsou připojeny výstupy N sousedních radarových senzorů (RS,) nebo jim příslušejících A/D převodníků (AD,), kde připojení vstupů dvou sousedních jednotek (RZDj) rychlého zpracování dat se liší jen v jednom výstupu radarového senzoru (RS,) nebo jemu příslušejícího

   35 A/D převodníku (A/DQ, přičemž každá jednotka (RZDj) rychlého zpracování dat je tvořena řadou paralelně a rychle pracujících procesorů, z nichž každý sestává z řetězce sériově zapojeného bloku výpočtu (FFT_k), bloku potlačení rušení (PR_k) a bloku prahování (PH_k), kde výstupy těchto řetězců jsou propojeny přes blok (FMX/POL) určení maximální dopplerovské frekvence a výpočtu polohy střely s blokem (ON/OFF) nastavení stavu aktivní/neaktivní dané jednotky

   40 (RZDj) rychlého zpracování dat a výstupy všech jednotek (RDZj) rychlého zpracování jsou připojeny na datové vstupy (D_t) až (D_M) společné vyhodnocovací jednotky (VJ), která je tvořena jedním digitálním procesorem, konfigurovaným na vstupu jako blok (FMX) určení jednotky (RZD_;) s naměřenou maximální dopplerovskou frekvencí a na něj navazujícím blokem (IPS) inicializátorů protistřel (PSi) až (PSq) na výstupu vyhodnocovací jednotky (VJ), která má dále

   45 řídicí výstupy (Ri) až (R_M) propojené se všemi bloky jednotek (RZD,) rychlého zpracování dat a je zároveň obousměrně propojena s elektronickými obvody (EBV) bojového vozidla.

   -8CZ 22433 Ul
2. 2. Mikrovlnný systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že osy vyzařovacích diagramů antén jsou ve vertikální rovině skloněny pod úhlem a 45° vzhledem ke svislici procházející stěnou chráněné části vozidla v místě, kde je anténa daného radarového senzoru (RSi) umístěna a zároveň osy horizontálních vyzařovacích diagramů antén v tomto místě svírají se

   5 stěnou vozidla úhel ε 90°.
3. 3. Mikrovlnný systém podle nároku l nebo 2, vyznačující se tím, že radarové senzory (RSj) jsou CW radarové senzory s koherentním zpracováním přijatého signálu.
4. 4. Mikrovlnný systém podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že jednotky (RZDj) rychlého zpracování dat jsou realizovány programovatelnými hradlovými poli o FPGA.
5. 5. Mikrovlnný systém podle kteréhokoli z nároků laž4, vyznačující se tím, že digitální procesor tvořící vyhodnocovací jednotku (VJ) je realizován v prostředí FPGA.