CZ303331B6

CZ303331B6 - Mikrovlnný systém pro detekci, lokalizaci a identifikaci ohrožujících strel

Info

Publication number: CZ303331B6
Application number: CZ20110311A
Authority: CZ
Inventors: Hudec@Premysl
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze Fakulta elektrotechnická
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2012-08-01
Also published as: CZ2011311A3

Abstract

Mikrovlnný systém je urcený pro detekci, lokalizaci a identifikaci strel ohrožujících bojová vozidla. Je typicky tvorený sadou radarových senzoru (RS.sub.i.n.), které mají na výstupech informaci o amplitude úmerné amplitude prijatého signálu odraženého od strely a o frekvenci rovné dopplerovskému posuvu frekvence prijatého signálu vuci frekvenci vyslaného signálu. Antény radarových senzoru (RS.sub.i.n.) mají vyzarovací diagramy ve vertikální rovine úzké a v horizontální rovine široké a jsou umísteny nad chránenou cástí vozidla ve výšce (h.sub.a.n.), která je vetší než výška (h.sub.2.n.) chránené cásti daného vozidla a orientovány tak, že osy vyzarovacích diagramu antén jsou ve vertikální rovine skloneny pod úhlem .alfa. v rozmezí 20 až 70.degree. a zároven osy vyzarovacích diagramu antén v horizontální rovine v tomto míste svírají se stenou vozidla úhel .epsilon. v rozmezí 20 až 160.degree.. Pocet a rozmístení radarových senzoru (RS.sub.i.n.) nad chránenou cástí vozidla je zvolen tak, že se vyzarovací diagramy jim príslušejících antén v horizontální rovine cástecne prekrývají. Výstupy radarových senzoru (RS.sub.i.n.) jsou pripojeny na digitální vstupy jednotek (RZD.sub.i.n.) rychlého zpracování dat, pricemž každá z nich je tvorena radou paralelne a rychle pracujících procesoru, z nichž každý provádí výpocty FFT, potlacuje rušení a provádí prahování. Výstupy techto retezcu jsou propojeny pres spolecný blok (FMX/POL) urcení maximální dopplerovské frekvence, který také provádí výpocet polohy strely a s blokem (ON/OFF) nastavení stavu aktivní/neaktivní dané jednotky (RZD.sub.i.n.) rychlého zpracování dat. Výstupy všech jednotek (RZD.sub.i.

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 pancéřovaná. 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 zapalovačem na čele střely aktivována nálož, která zezadu stlačí kalíšek a vytvoří zněj cca 10 mm silný kumulativní paprsek stlačené mědi pohybující se rychlostí až 10 000 m/s. Takový paprsek je schopný prorazit pancíř až 300 mm silný. Je tedy schopný zničit i velmi dobře pancéřovaný tank. Přibližně 10 mm silné pancéřování běžných transportních a bojových vozidel nepředstavuje proti kumulativním střelám vůbec žádnou ochranu.

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 pro jakékoliv vojenské vozidlo, 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 do značné míry zaměřována na tzv. aktivní ochranu. Principem aktivní ochrany je detekce letící proti pancéřové střely a aktivace určité formy protistřely, která je schopná střelu ohrožující bojové vozidlo zneškodnit nebo alespoň dostatečně 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 systémů aktivní ochrany je senzor nebo skupina senzorů, které jsou schopné detekovat letící ohrožující střelu a generovat spouštěcí impulzy pro aktivaci protistřely. Pro detekci mohou tyto senzory využívat optické paprsky nebo elektromagnetické vlny v mikrovlnné frekvenční oblasti. Výhodou optických systémů je možnost přesnější lokalizace 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 protistřel jsou ohrožující střely zneškodňovány ve vzdálenosti několik desítek metrů 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

- 1 CZ. 303331 B6 vozidla. Na druhou stranu detekce a zneškodnění ve vzdálené zóně přinášejí řadu jiných problémů, kteréjsou dále popsány.

Radarový sen zor 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 protistřel, 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 menší než 50 m, například při bojích ve městě. Senzory nemusí být schopné tak rychle zareagoio vat 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. Kromě toho, aby bylo možné použít aktivní ochranu i pro ochranu lehčích transport15 nich a bojových vozidel s pancíři cca 10 mm silnými, musí být systém schopný kumulativní střely zničit tak, aby nedošlo k inicializaci střely a ke vzniku kumulativního paprsku. Protistřela tedy nesmí zasáhnout čelo střely se zapalovačem a musí zasáhnout jen hlavu střely s trhavinou. Protistřela tedy musí letět šikmo nebo kolmo k dráze letu ohrožující střely. Aby bylo možné protistřelu správně navést, je nutné velmi přesně určit polohu ohrožující střely ve vztahu ke chráně20 ném 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 vynálezu.

Na téma aktivní ochrany a detekce střel existuje několik relevantních patentů. Příkladem může být patent US 7 248 210 „Man-Portable Counter Mortar Radar System“ určený k detekci a sledování dráhy letu minometných střel s tím, že umí vyhodnotit i místo odpálení. Zařízení je založené na pulsním radaru a aktivní anténní řadě pracující s rozsahem 360° v horizontální rovině. Zařízení je určeno pro vyhledávání střel ve vzdálené zóně, řádově stovky metrů až km. Pro účely aktivní ochrany předmětného typu (deaktivace střely šikmo nebo kolmo letící protistřelou v bliz30 ké zóně) není zařízení dostatečně přesné, v blízkosti radaru má mrtvou zónu a není schopné střely detekovat a měřit dostatečně rychle a spolehlivě.

Velmi podobný je i koncept patentů US 7 151 478 (Pseudo-Orthogonal Waveforms Radar System, Quadratic Polyphase Waveforms Radar, and Methods for Locat ing Targets) a US 7 277 046 (Single Transit Multi-Receiver Modulation Radar, Multi-Modulation Receiver and Method). Zařízení je určeno k detekci malých projektilů, kumulativních nebo minometných střel, a to pro účely výpočtu místa dopadu střely nebo místa odpálení. Jako anténní systém je použita anténní řada v kruhovém provedení s rozsahem typicky 60° vertikálně a 360° horizontálně. Radar je typu CVV s aplikovanými speciálními digitálními modulacemi, takže v tomto případě nejsou problémy s mrtvou zónou, nicméně v dané konfiguraci není určen pro detekci v blízké zóně a nemůže garantovat přesnost (až ±10 cm) potřebnou pro účinné odpálení protistřely v předmětné konfiguraci aktivní ochrany. Tento patent také používá jiné uspořádání antén a jiné zpracování signálů, než zařízení, které je předmětem tohoto vynálezu.

Aktivní ochranou bojových vozidel se zabývá i patentová přihláška EU 0 687 885 AI (Vehicle Self-Defendence System). Zařízení popsané touto přihláškou je určené pro obranu tanků, pro ochranu méně pancéřovaných vozidel není vhodné. Systém je založen na jednom přehledovém radaru s pokrytím 360° a schopném měřit rychlost, okamžitou vzdálenost, azimut a elevaci přibližujících se střel. Pokud je nějaká střela vyhodnocena jako ohrožující a vstoupí do ochranné zóny chráněného vozidla, tak je aktivována speciální protistřela, která je nejprve pomocnou náloží vymetena šikmo nad vozidlo a tam následným výbuchem generuje shluk kovových fragmentů letící k útočící střele. Při dopadu shluku kovových fragmentů na čelo kumulativní střely je velmi pravděpodobné, že dojde k inicializaci střely a k vytvoření kumulativního paprsku. Ten bude pravděpodobně více nebo méně odkloněn, narušen nebo i fragmentován, takže jeho účinek na tankové pancíře bude pravděpodobně výrazně nižší a umožní přežití posádky. Jako příklad může

-2 CZ 303331 B6 penetrace do pancíře klesnout z 300 mm bez aktivní ochrany například na 100 mm s aktivní ochranou, což je méně než obvyklá síla pancéřování i na méně chráněných bocích tanků. Při ochraně běžných bojových vozidel s pancíři silnými cca 10 mm je však vysoká pravděpodobnost, že vozidlo bude narušeným kumulativním paprskem zasaženo ajeho účinek může být ještě vyšší, než při zásahu paprskem standardním (narušený paprsek obvykle penetruje tenký pancíř ve větší ploše a někdy i na více místech než standardní kumulativní paprsek, tomu odpovídá l otvor s průměrem cca 10 mm). Aktivní ochrana popsaná patentovou přihláškou EU 0 687 885 AI se zásadně liší od systému aktivní ochrany související s předmětem tohoto vynálezu, zásadně se liší i předmětný anténní a vyhodnocovací radarový systém.

Patrně nejbližší předmětu tohoto vynálezu je systém aktivní ochrany popsaný v patentu DE 40 08 395 (Senzorik fur die aktive Pancerung). Popisovaný systém aktivní ochrany je založen na aktivním pancíři, což je speciální uspořádání pancéřových desek s trhavinou, kterými je vozidlo obloženo, přičemž se také předpokládá nasazení na vysoce pancéřovaných vozidlech jako jsou například tanky. Při aktivací aktivní ochrany je proti přibližující se ohrožující střele vystřelen segment aktivního pancíře. Stejně jako v předchozím případě, lze předpokládat kontakt s čelem střely, nicméně při nasazení na méně pancéřovaných transportních a bojových vozidlech by s vysokou pravděpodobností došlo k průrazu tenkého pancíře, a to na větší ploše a ve více místech, než bez aktivní ochrany tohoto typu. Aktivní pancíř je proto pro nasazení na bojová

2» s tenkými pancíři vozidla nevhodný.

Radarový senzorový systém popsaný patentem DE 40 08 395 je v některých aspektech podobný senzorovému systému, který je předmětem tohoto vynálezu. Systém se také obecně skládá z více senzorů, nicméně se předpokládá nasazení typ. 3 senzorů na pokrytí jedné strany vozidla, což je výrazně méně, než v uspořádání dle předmětu tohoto vynálezu. Radarové senzory použité v patentu DE 40 08 395 také generují dopplerovské signály a soustřeďují se na jejich zpracování, přitom hlavním jejich účelem je v tomto případě měření příslušné složky vektoru rychlosti přibližují se střely. Nicméně zásadním způsobem se liší použitý anténní systém a následné zpracování signálů. Důvodem je to, že radarový systém, který je předmětem tohoto vynálezu, musí určit polohu útočící střely podstatně přesněji tak, aby protistrela mohla ohrožující střelu zničit shora zásahem na část obsahující trhavinu a vůbec nedošlo kjejí inicializaci. To systém popsaný patentem DE 40 08 395 nikdy nemůže zajistit.

Podstata vynálezu

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 pripoje40 ny koaxiálními kabely. Radarový senzor se skládá z mikrovlnného vysílače a mikrovlnného přijímače. Součástí nového řešení je to, že radarové senzory jsou senzory s analogovým nízkofrekvenčním 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 svislici 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 sen zořu 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 z pracování dat. Každá z nich má N digitálních vstupů. Pro L radaro- j CZ 303331 B6 vých senzorů je použito M jednotek rychlého zpracování dat, kde M=L-N+1, Digitální vstupy 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 nichž sestává z řetězce sériově zapojeného bloku výpočtu rychlé Fourierovy transformace FFT, bloku potlačení rušení a bloku prahování. Výstupy těchto řetězců jsou propojeny přes 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 proti střel 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°.

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

Výhodou nového řešení je to, 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. Kromě toho je navržený způsob detekce tak přesný, že je možné vhodnou protistřelou zasáhnou ohrožující střelu tak, že dojde k její destrukci a nedojde ke vzniku kumulativního paprsku. To umožňuje nasazení systémů aktivní ochrany založených na zařízení, které je předmětem toho vynálezu, i na transportních a bojových vozidlech s tenkým pancéřováním.

Přehled obrázků na výkresech

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 uspořádání senzorů mikrovlnného systému na chráněném vozidle. Na Obr. 5 jsou znázorněny proměnné potřebné pro určení horizontální polohy ohrožující střely. Obr. 6 je schématicky 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.

Příklady provedení vynálezu

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

-4CZ 303331 B6

Mikrovlnnou závoru lze sestavit zjednoho nebo několika radarových senzorů RS, i e (I, I) schopných indikovat průlet ohrožujících střel. Tyto radarové senzory RSi 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 δ, 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 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 kvýše uvedené podmínce je typická hodnota pro střely přilétající vodorovně nebo mírně shora nebo zdola σ = 45°. avšak může se pohybovat v rozmezí 20 až 70°. Osy antén v horizontální rovině svírají se stěnou chráněného vozidla obvykle úhel ε = 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 dosah, aby byl pokryt celý požadovaný výškový rozsah ochrany. Požadovaný výškový rozsah ochrany je dán minimální výškou Aj, nad kterou je ochrana požadována, obvykle h\ s 0,5 /m, což odpovídá oblasti kol a podvozku, kterou není potřeba proti střelám chránit, a nejvyšší výškou A;, pro kterou je ochrana požadována, obvykle A? je shodná s výškou té části vozidla, ve které je osádka. Senzorové antény jsou umístěny ve výšce ha·, která je větší než výška h?- Potřebný dosah radaru je dán nej nižší hodnotou R_A, což je minimální vzdálenost antény, kde již radar musí fungovat, a nejvyšší potřebnou hodnotou Rh, což je vzdálenost od antény, kde radar ještě musí fungovat, kde R_A a Rh jsou dány vztahy cos a cos a

Pro typické hodnoty hj = 0,5 w, h₂ ~ 2,0 m, h_a — 2,5 /n a a- 45°, vychází hodnoty R_A = 0,707 m a Rh ~ 2,8 m. Vedle požadavků na dosah musí použitelné radarové senzory RS, 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 RS, analogové nízkofrekvenční výstupy, tak jsou na ně před dalším signálovým zpracováním připojeny A/D převodníky A/D„ viz Obr. 6. Pokud mají použité radarové senzory RS; přímo digitální výstupy, jsou na obvody dalšího signálového zpracování, viz. Obr. 7, připojitelné přímo. Typickým příkladem použitelných radarových senzorů RS; s analogovými nízkofrekvenčními výstupy mohou být CVV 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 dopplerovské-5CZ 303331 B6 mu 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/D; připojen na digitální vstupy jednotek RZDi z e (1, A/) rychlého zpracování dat, které jsou tvořené řadou paralelně a rychle pracujících procesorů. Každá jednotka RZDj rychlého zpracování má N digitálních vstupů V i až Vn a pro L radarových senzorů RSi je použito M jednotek RZDj rychlého zpracování dat, kde M=L-N+1. Na digitální vstupy každé jednotky RZDi rychlého zpracování dat jsou připojeny výstupy N sousedních radarových senzorů RSi nebo jim příslušejících A/D převodníků AD;. Připojení vstupů dvou sousedních jednotek RZDi a RZD_j+i, respektive RZD, a RZDj í 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 FFTl. bloku potlačení rušení PRk a bloku prahování PHl. kde k e (1, M. 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 RZDi rychlého zpracování jsou připojeny na datové vstupy Db až Dm společné vyhodnocovací jednotky VJ. Taje tvořena jedním digitálním procesorem konfigurovaným na vstupu jako blok FMX určení jednotky RZD, s naměřenou maximální dopplerovskou frekvencí a na něj navazujícím blokem 1PS iniciálizátorů protistrel PS_X až PSp zařazených na výstupu vyhodnocovací jednotky VJ. Vyhodnocovací jednotka má dále řídicí výstupy až R_M, které jsou propojené se všemi bloky jednotek RZD, rychlého zpracování dat a je zároveň obousměrně propojena s elektronickými obvody EBV bojového vozidla.

Procedury implementované v jednotkách RZD, rychlého zpracování dat provádějí zejména výpočet spektra pomocí metod FFT v bloku výpočtu FFTl, v bloku potlačení rušení PR_k řídí potlačení rušivých signálů a v bloku prahování PHn pomocí měření úrovně přijatého signálu odraženého od ohrožující střely a porovnáváním s prahovou hodnotou určují přítomnost ohrožující střely. Bloky prahování PFL 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 RSi, z těch, které jsou připojeny k dané jednotce RZDi rychlého zpracování dat měří maximální hodnotu dopplerovské frekvence. Přitom, vyjma krajních jednotek RZD₁ a RZDm rychlého zpracování dat nebere tento blok v úvahu krajní vstupy YiaVs. Na základě změřených dopplerovských frekvencí z radarových senzorů RSi připojených na danou jednotku RZD, rychlého zpracování dat také počítá nejpravděpodobnější horizontální polohu ohrožující střely. Blok ON/OFF nastavení stavu aktivní/neaktivní dané jednotky RZD; rychlého zpracování dat na pokyn vyhodnocovací jednotky VJ deklaruje danou jednotku RZDi rychlého zpracování dat jako aktivní nebo neaktivní. Aktivní jednotka RZD, rychlého zpracování dat dává pokyn pro odpálení protistřely a poskytuje data o horizontální poloze ohrožující střely. Neaktivní jednotky RZDi rychlého zpracování dat jsou na určitou dobu vyřazeny z funkce. Bloky výpočtu FFTk, bloky potlačení rušení PRk. bloky prahování PHl, bloky FMX/POL určení maximální dopplerovské frekvence a výpočtu polohy střely i blok ON/OFF nastavení stavu aktivní/neaktivní dané jednotky RZDj rychlého zpracování dat je možné nastavovat a řídit pomocí řídicí výstupů Rj j e (I, M) jednotek RZD, rychlého zpracování dat.

Výstupy všech jednotek RDZí 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.

-6CZ 303331 B6

Blok FMX určení jednotky RZD, s naměřenou maximální dopplerovskou frekvencí 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 RZD_t rychlého zpracování dat a určuje tu z nich. která udává hodnotu nejvyš5 ší. Jednotku RZD; rychlého zpracování dat s nej vyšší naměřenou hodnotou dopplerovské frekvence prohlásí za aktivní, a to přes příslušný řídicí výstup R,. Ostatní jednotky RZD, rychlého zpracování dat jsou nastaveny jako neaktivní. Vyhodnocovací jednotka VJ si z aktivní jednotky RZD, rychlého zpracování dat přečte informaci o horizontální poloze ohrožující střely, určí nejvhodnější protistřelu nebo protistřely a pošle bloku 1PS inicializátoru protistřely nebo protistřel io 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.

i? Každý radarový senzor RS; i e (I, Z.) se skládá z mikrovlnného vysílače TXj a mikrovlnného přijímače RXj, 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 RX,. Vzhledem k tomu, zeje elektromagnetické pole koncentrováno ve verti20 kalní 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 RX;, 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.

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 příj35 mu vlny odražené od této střely.

Signál s_rx,(í) vyslaný vysílačem TX* v i-tém radarovém senzoru RS,, viz. Obr. 5, lze popsat pomocí vztahu:

₄₀ ^STXI (0 = ^ATXi ^{+ Ψ}™ >

Přitom Λ /αϊ je jeho amplituda, ťwjeho úhlová frekvence a Ψ_Γχ, jeho počáteční fáze. Ve vzdálenosti R, se signál s_rx, odrazí od letící sledované střely, přičemž vzdálenost Á, je dána vztahem:

Λ, = K₀,+sin a sin/7,

V tomto vztahu je Ro, vzdálenost v čase í - 0, v,„ je rychlost střely a úhly aa β, jsou popsány na Obr. 3 a Obr. 5. Signál s_HXl(t) přijatý přijímačem RXj v i-tém radarovém senzoru RS, lze popsat vztahem:

SRX, (0 = ^AKXl ^COSK' - ^Ti) + ^ψΚΛ1 ]

Přitom Λ/wjejeho amplituda a Ψ_Τχ,jeho počáteční fáze. Časové zpoždění x, lze popsat vztahem:

- 7 CZ 303331 B6

2R_Ql + 2v„,/siná sin#

V tomto vztahu je c rychlost světla ve vzduchu. Dosazením vztahu pro π, do popisu lze odvodit výsledný vztah:

s_RXt{í} - A_RXi cqs ωβ\2v_m sin a sin β_{

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:

2čyv_w sin a sin # c

Vztah ukazuje, že frekvenční posuv závisí na rychlosti letící střely a, což důležité, také na úhlech «a β„ Úhel a je při 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 RS, umožňujících měření dopplerovského frekvenčního posuvu způsobeného odrazem od sledované letící střely, tak je možné, alespoň přibližně, na základě více změřených hodnot &_ct,>_Ppt určit i horizontální polohu letící střely ve vztahu ke chráněnému vozidlu.

Stanovení alespoň přibližné horizontální polohy ohrožující střely lze přitom provést na základě vztahu pro ú)_dripp!, přičemž nej pravděpodobnější místo polohy dopadu střely je pod radarovým senzorem RS, s nej vyšší měřenou hodnotou o)_íi<tppt. Horizontální polohu lze tedy určovat více úrovňovým porovnáváním hodnot _ppi z více senzorů, 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 nízkofrekvenčními výstupy jsou výstupní signály před dalším zpracováním vzorkovány pomocí A/D převodníků A/Di a převáděny na rychlé toky digitálních dat. Pro zpracování rychlých toků dat jsou použity jednotky RZD, / e (I, M) 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 RZD, rychlého zpracování dat má N digitálních vstupů V_k k e (1, N) a paralelně zpracovává signály z N radarových senzorů RS„ obvykle N = 3. Výstupy A/D převodníků A/D, jsou na vstupy jednotek RZD; rychlého zpracování dat zapojeny tak, aby každá jednotka RZD, rychlého zpracování dat zN sousedních radarových senzorů RS,, 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:

-8CZ 303331 B6 • Na jednotku RZD! jsou připojeny RSi, RS₂, ... RS_W • Na jednotku RZD₂ jsou připojeny RS₂, RS_3l ... RS^+i • Na jednotku RZD/jsou připojeny RS„ RS,+i, ... RSí+λμ • Na jednotku RZD_W jsou připojeny RSl-λμ , · - -, RSm , RS

Při zpracování stanovuje každá jednotka RZD;/' e (I, Af) rychlého zpracování dat v definovaných časových úsecích úrovně signálů a vypočítá jejich frekvenční spektrum. Jednotky RZD, detekují přibližující se střelu jako frekvenčně relativně úzkopásmový signál s úrovní větší než definovaná 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 co_dt>ppt předají jednotky RZD; nadřazené vyhodnocovací jednotce VJ.

io Nadřazená vyhodnocovací jednotky VJ je jen jedna a porovnávají se v ní data z jednotlivých jednotek RDZj rychlého zpracování dat. Vyhodnocovací jednotka VJ vybere tu jednotku RZD; / e (I, M) rychlého zpracování dat, která poskytuje informace o nejvyšší naměřené dopplerovské frekvenci co_dr>ppt, prohlásí ji za aktivní a nastaví ostatní jednotky RZD, rychlého zpracování dat na chvíli jako neaktivní. Vzhledem k překryvu napojení radarových senzorů RS; na tyto jednotky

RZDi rychlého zpracování dat přitom, kromě prvního radarového senzoru RSj a posledního, tedy L-tého radarového senzoru, RS_L, bere v úvahu jen ty, které nejsou zapojeny na krajní vstupy dané jednotky RZDj rychlého zpracování dat. Pokud L = 5 aV= 3 bude poskytovat nejvyšší hodnotu frekvence G)_dopp, radarový senzor RS₃, tak prohlásí jako aktivní jednotku RZD? rychlého zpracování dat, neboť ta má na vstupu připojeny radarové senzory RS₂, RS₃ a RS₄, přičemž rada20 rový senzor RS₃ 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 dopplerovských frekvencí změřených jednotlivými radarovými senzory RS,. Pokud střela letí přímo pod některým z nich, je ú}_dopp, generovaná tímto radarem nejvyšší a ostatní jsou nižší. Pokud jsou Mdoppi ze dvou sousedních radarových senzorů srovnatelné, tak střela letí z horizontálního pohledu na střed mezi předmětné dva radarové senzory. Aktivní jednotka RZDj rychlého zpracování dat přes vyhodnocovací jednotku VJ aktivuje jednu nebo i více protistřel ze sady PS₁ až PSq. 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

PATENTOVÉ ROKY

1. Mikrovlnný systém pro detekci, lokalizaci a identifikaci ohrožujících střel tvořený alespoň jedním radarovým senzorem (RSj) opatřeným vysílací a přijímací anténou nebo společnou anténou pro vysílač i přijímač, které jsou buď součástí radarového senzoru (RS;), nebojsou kněmu připojeny koaxiálním kabelem nebo kabely a kde se tento radarový senzor (RS;) skládá z mikro-9CZ 303331 B6 vinného vysílače (TX,) a mikrovlnného přijímače (RX,), přičemž radarové senzory (RSJ jsou senzory mající na analogovém nízkofrekvenčním nebo digitálním výstupu informaci o amplitudě úměrné amplitudě přijatého signálu odraženého od střely a o frekvencí rovné dopplerovskému posuvu frekvence přijatého signálu vůči frekvenci vyslaného signálu, vyznačující se t í m , že antény radarových senzorů (RSj) 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 větší než výška (h>) 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 (RSj) 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 radarových senzorů (RS_f) 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/Dj) připojen na digitální vstupy jednotek (RZDj) rychlého zpracování dat, kde každá jednotka (RZDj) rychlého zpracování dat má N digitálních vstupů (V, až V_N) a pro celkem L radarových senzorů (RSj) je použito M jednotek (RZD,) 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 (RSj) nebojím příslušejících A/D převodníků (ADj), kde připojení vstupů dvou sousedních jednotek (RZD,) rychlého zpracování dat se liší jen v jednom výstupu radarového senzoru (RSj) nebo jemu příslušejícího A/D převodníku (A/Dj), přičemž každá jednotka (RZD,) 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 (RZDj) rychlého zpracování dat a výstupy všech jednotek (RDZj) rychlého zpracování jsou připojeny na datové vstupy (D|) až (D_M) společné vyhodnocovací jednotky (VJ), která je tvořena jedním digitálním procesorem, konfigurovaným na vstupu jako blok (FMX) určení jednotky (RZDj) s naměřenou maximální dopplerovskou frekvencí a na něj navazujícím blokem (IPS) inicializátorů protistřel (PSi) až (PS₀) na výstupu vyhodnocovací jednotky (VJ), která má dále řídicí výstupy (Ri) až (R_M) propojené se všemi bloky jednotek (RZDj) rychlého zpracování dat a je zároveň obousměrně propojena s elektronickými obvody (EBV) bojového vozidla.
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 (RS,) umístěna a zároveň osy horizontálních vyzařovacích diagramů antén v tomto místě svírají se stěnou vozidla úhel ε 90°.
3. Mikrovlnný systém podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že radarové senzory (RSj) jsou CVV radarové senzory s koherentním zpracováním přijatého signálu.
4. Mikrovlnný systém podle kteréhokoli z nároků I až 3, vyznačující se tím, že jednotky (RZDj) rychlého zpracování dat jsou realizovány programovatelnými hradlovými poli FPGA.
5. Mikrovlnný systém podle kteréhokoli z nároků laž4, vyznačující se tím, že digitální procesor tvořící vyhodnocovací jednotku (VJ)je realizován v prostředí FPGA.