eng
Выпуск #1/1999
Л. Юдин, К. Фомичев.
Системы радиоэлектронного противодействия. Запоминание высокочастотных сигналов
Системы радиоэлектронного противодействия. Запоминание высокочастотных сигналов
Просмотры: 3473
Эффективность систем радиоэлектронного противодействия зависит от качества активных имитационных помех. Поскольку такие помехи создаются преимущественно тогда, когда информация о параметрах сигнала средств противника отсутствует на входе системы противодействия, выполнить эту задачу помогают устройства, запоминающие ВЧ-сигналы средств противника. В статье рассматриваются методы и средства запоминания несущей частоты подавляемой радиолокационной станции – основного параметра, требующего запоминания в системах радиоэлектронного противодействия.
Современные системы радиоэлектронного противодействия (РЭП) используют несколько типов запоминающих частоту устройств. Это – рециркуляторы радиоимпульсов, обеспечивающие запоминание непосредственно по ВЧ [1–4]; потенциалоскопы, работающие, как правило, на промежуточной частоте; устройства на основе приборов с зарядовой связью [5]; генераторы гармонических или шумовых колебаний, настраиваемые по частоте принятого радиолокационного сигнала [6]; линии задержки [6]; взаимодействующие между собой пространственно разнесенные ретрансляторы, обеспечивающие запоминание частоты благодаря задержке сигналов в пространстве [7]; цифровые устройства [7–23].
Для любого типа запоминающего устройства наиболее важными характеристиками являются: частотный и динамический диапазоны; чувствительность; длительность запоминания частоты; когерентность и спектральная характеристика запомненного сигнала; быстродействие; способность одновременного запоминания нескольких сигналов; информационный доступ к запомненному сигналу и возможность его считывания без разрушения информации; совместимость с другими устройствами системы РЭП и, наконец, стоимость, габариты, масса и энергетические параметры. Соответственно значениям этих характеристик наибольший интерес из всех перечисленных устройств запоминания частоты представляют традиционно используемые рециркуляторы радиоимпульсов и перспективные цифровые системы.
Рециркуляторы радиоимпульсов
За три с лишним десятилетия существования рециркуляторов радиоимпульсов техника запоминания в них настолько хорошо отработана, что эти устройства до сих пор используются в большинстве систем РЭП. Сущность запоминания в них состоит в многократной рециркуляции принятого сигнала через усилительно-задерживающую систему с обратной связью. Типовая структурная схема рециркуляционного устройства приведена на рис.1[1]. В состав устройства входит СВЧ-усилитель, охваченный контуром обратной связи, который содержит два направленных ответвителя, коммутатор и линию задержки. Поскольку на вход устройства могут поступать импульсные сигналы различной длительности (tс), необходима стробирующая схема для нормирования входного сигнала по длительности до значения, равного времени запаздывания (tз) в линии задержки контура обратной связи. После усиления нормированный сигнал разветвляется по мощности на две части. Одна часть поступает на выход как составляющая формируемого импульса помехи, а другая – через ответвитель, коммутатор, линию задержки и второй ответвитель снова поступает на вход усилителя. Коммутатором управляет формируемый логическим устройством импульс, который определяет длительность запоминания частоты. Так как длительность импульса на выходе стробирующей схемы равна времени запаздывания в линии задержки, радиоимпульс после первой циркуляции поступает на вход усилителя в момент прохождения через него заднего фронта входного радиоимпульса. Передний фронт второго радиоимпульса поступает на вход усилителя в момент прохождения через него заднего фронта первого радиоимпульса контура и т.д. В результате на выходе устройства формируется широкий СВЧ-радиоимпульс, частота заполнения которого равна частоте заполнения входного радиоимпульса. При формировании уводящей по дальности помехи этот широкий радиоимпульс стробируется и излучаются радиоимпульсы, длительности которых, соответственно, равны длительностям импульсов подавляемой РЛС.
Процесс рециркуляции с нарастанием мощности сигнала продолжается до тех пор, пока в результате уменьшения коэффициента усиления усилителя в области насыщения она не сравняется с потерями в контуре. Для контура обратной связи характерны широкая рабочая полоса частот и достаточно большое усиление (10–15 дБ), а в собственном шуме усилителя (на ЛБВ) преобладает спектральная составляющая, соответствующая максимальному усилению контура. Однако нарастанию собственных колебаний препятствует присущее ЛБВ свойство подавления слабых сигналов в условиях насыщения в пределах всей ее полосы пропускания частот. Подавление происходит при наличии любого относительно мощного сигнала, и чем глубже насыщение, тем сильнее подавление. Таким образом, в нормальных условиях входной радиоимпульс, амплитуда которого обычно устанавливается предусилителем на достаточно большом уровне, препятствует нарастанию собственных колебаний в контуре. Если рабочий частотный диапазон рециркулятора слишком велик и не позволяет реализовать нужное число рециркуляций радиоимпульсов, т.е. имеет место чрезмерное нарастание собственных шумов, то полосу частот следует делить на поддиапазоны. Для обеспечения требуемой частотной равномерности кольца рециркулятора в него включают эквалайзеры.
При использовании станции помех против когерентной РЛС необходимо обеспечивать когерентность запомненного сигнала. Здесь очень важную роль играет точность запоминания частоты, или, в общем случае, спектральная чистота запомненного сигнала. Если частоте центральной компоненты спектра импульсного сигнала на входе рециркуляционного устройства соответствует электрическая длина замкнутого контура, равная целому числу волн, то после каждой циркуляции фаза не отклоняется от значения фазы центральной компоненты, и запомненный сигнал является когерентным. Но если электрическая длина замкнутого контура равна нечетному числу полуволн, то после циркуляции фаза смещается на 180о. В этих условиях энергия концентрируется в боковых составляющих спектра, отстоящих на 1/2tз по обе стороны от центральной частоты входного сигнала, т.е. при длительности радиоимпульса 0,2 мкс – на +2,5 МГц. В результате теряется мощность сигнала помехи и нарушается фазирование (когерентность).
Чтобы исключить возможность снижения эффективности помех, создаваемых на основе рециркулятора, энергию сигнала помехи необходимо концентрировать на несущей частоте. Для этого нужно обеспечить полный набег фазы в рециркуляторе на несущей частоте, кратный 2p. На рис. 2 представлена структурная схема рециркулятора с автоподстройкой набега фазы. Входной радиоимпульс поступает на вход детектора, измеритель разности фаз и через переключатель – на усилитель, линию задержки и другой вход измерителя фазы. Переключатель через время, равное запаздыванию в линии задержки, переходит в положение 2, и начинается рециркуляция выборки входного радиоимпульса. Одновременно измеритель фазы определяет разность фаз между входным радиосигналом и задержанной из него выборкой, и на фазовращатель поступает соответствующее напряжение, которое устанавливает в рециркуляторе набег фазы, близкий к целому числу 2p. В результате манипуляция фазы существенно уменьшается, и энергия помехи концентрируется на несущей частоте РЛС. Переключатель остается в положении 2 в течение времени запоминания, например 5–10 мкс. После этого он возвращается в положение 1 и готов к приему следующего радиоимпульса, в том числе и на другой несущей частоте.
На практике достаточно устанавливать набег фазы с точностью до 45о. В этом случае вместо фазовращателя непрерывного действия можно использовать дискретный фазовращатель на четыре градации, что существенно упрощает построение схемы автоподстройки фазы рециркулятора. Возникающие при этом энергетические потери на несущей частоте не превышают 1 дБ. На рис. 3 приведена структурная схема передатчика уводящих по дальности помех, в которой применен рециркулятор с дискретной автоподстройкой набега фазы. В нем на один вход фазового детектора поступает входной радиоимпульс, а на другой – задержанный сигнал. Фазовращатель осуществляет сдвиг фазы задержанного сигнала, соответственно, на 0, 90, 180 и 270о с распределением получаемых сигналов на входы четырехпозиционного переключателя. Последний установлен в положение, обеспечивающее точность подстройки набега фазы в рециркуляторе не хуже 45о. Логическое устройство, на которое поступает продетектированный входной радиоимпульс, синхронизирует работу передатчика.
На точность запоминания фазы и частоты оказывают влияние также длительность передаваемого импульса уводящей по дальности помехи и его положение относительно входного импульса. Если нормированная длительность входного радиоимпульса рециркулятора равна длительности радиолокационного радиоимпульса, а задержка переднего фронта излучаемого импульса помехи в цикле увода кратна целому числу длительностей входного импульса, то воспроизведение спектра сигнала РЛС помехой будет достаточно точным. При всех других значениях длительности излучаемого импульса и временной задержки его переднего фронта в процессе увода искажение спектра растет. Воздействие расширения спектра сигнала помехи может быть снижено путем преднамеренного циклического изменения набега фазы в рециркуляторе, обеспечивающего уменьшение амплитуды спектральных составляющих помехи на дискретных частотах [2,3].
Цифровые системы запоминания сигнала
Поскольку эффективность имитационных и маскирующих помех импульсным РЛС во многом зависит от точности воспроизведения фазовых, частотных и временных характеристик радиолокационных сигналов, большое значение приобрели методы цифрового запоминания сигналов (ЦЗС), которые обеспечивают высокоточное воспроизведение структуры радиолокационного сигнала [7–12]. Упрощенная структурная схема системы цифрового запоминания СВЧ-сигналов представлена на рис. 4. Входной СВЧ-сигнал поступает на N-фазный преобразователь, где с помощью N-сигналов гетеродина (сигналы на фиксированной частоте с различными фазами) преобразуется в N-сигналы промежуточной частоты с разными фазами. Аналоговые сигналы промежуточной частоты затем преобразуются в цифровую форму с помощью N-фазного АЦП и квантуются в цифровом квантователе. Разрядность при этом зависит от числа воспроизводимых параметров входного сигнала. Например, если требуется воспроизвести только несущую частоту входного сигнала без его амплитуды, то достаточны две фазы преобразованного сигнала и только один бит для представления полярности каждого из двух преобразованных сигналов. В результате квантования по времени образуются выборки с периодом синхронизации, которые запоминаются в цифровом ОЗУ. Процесс восстановления входного сигнала включает многоканальное цифроаналоговое преобразование запомненных выборок с последующим преобразованием в N-фазном устройстве для восстановления частоты и фазы отдельных сигналов, которые после суммирования образуют восстановленный СВЧ-сигнал [13]. Совершенно очевидно, что наиболее простой система ЦЗС будет при однофазном преобразовании (N=1). Однако при этом вдвое сокращается мгновенная полоса рабочих частот. В то же время при удовлетворительных рабочих характеристиках системы с однофазным преобразованием на 60– 80% дешевле систем с многофазным.
Для сохранения информации не только о частоте (фaзе), но и амплитуде входного сигнала, необходим дополнительный канал, который включает в себя амплитудный детектор, АЦП, цифровое ЗУ, ЦАП и амплитудный модулятор для восстановления амплитудной информации в запоминаемом СВЧ-сигнале [14, 15].
Точность воспроизведения радиолокационного сигнала зависит от способности системы ЦЗС подавлять паразитные сигналы, динамического диапазона квантователя, мгновенной полосы системы и когерентности сигнала. Конкретно точность воспроизведения частоты импульсных радиосигналов определяется фазовой накапливаемой погрешностью в интервале длительности импульса. Фазовая погрешность зависит от разрядности преобразования и уменьшается с увеличением числа разрядов как при амплитудном, так и при фазовом квантовании (табл.1).
Применение многоразрядных АЦП позволяет уменьшить уровень паразитных составляющих, но этому сопутствует сужение мгновенной полосы и увеличение емкости ЗУ системы ЦЗС. Однако отказ от амплитудного АЦП в пользу фазового хотя и уменьшает разрядность квантования, зато сохраняет полосу частот и снижает потребляемую мощность и массу устройства. Фазовый квантователь имеет больший динамический диапазон и более простую конструкцию. Путем оптимизации формы сигналов при фазовом квантовании можно устранить шумовой фон и зависимость от длительности импульса, доведя относительный уровень паразитных составляющих до –20 дБ. В типовом случае в зависимости от применения системы ЦЗС паразитные сигналы подавляются в пределах от –10 до –40 дБ и более.
Мгновенная полоса систем ЦЗС определяется частотной полосой канала обработки сигналов промежуточной частоты. Обычно значение мгновенной полосы составляет 0,9 от частоты синхронизации и зависит от уровня техники АЦП. В табл.2 приведены параметры перспективных арсенидгаллиевых и современных кремниевых АЦП.
Для обеспечения когерентности важное значение имеет стабильность задержки. Применение кварцевых генераторов синхронизации со стабильностью частоты 10-12 обеспечивает нестабильность фазы меньше 1о при задержке 10 мкс.
Создание систем ЦЗС стало возможным благодаря достижениям в области СБИС, архитектурного построения ЗУ, а также техники дискретизации и квантования сигналов [16,17]. Структура систем ЦЗС постоянно совершенствуется. Их мгновенная частотная полоса может составлять 1–2 ГГц, а в перспективе – 2–5 ГГц. Уровень паразитных составляющих на выходе системы ЦЗС без применения фильтрации или многоуровневого квантования – от –10 до –20 дБ.
Поскольку основное направление развития систем РЭП – повышение скорости обработки сигналов, главную роль в этом процессе будут играть компоненты на арсениде галлия. Достоинства систем ЦЗС на арсениде галлия очевидны: высокое быстродействие, повышенная пропускная способность, расширенная мгновенная полоса, меньшее число компонентов и, как следствие, более высокая надежность. Расширение мгновенной полосы системы ЦЗС с 250 МГц (на кремнии) до 750 МГц (на арсениде галлия) обеспечивает перекрытие широкого диапазона частот передатчиком помех с меньшим числом ЦЗС, а также упрощает устройство взаимного преобразования частоты. Такие системы имеют повышенную точность воспроизведения сигналов благодаря увеличенным частоте выборок и разрядности квантования, а значит, быстрее и с большей эффективностью реагируют на угрозу. В числе других достоинств этих устройств – повышенная радиационная стойкость и более широкий диапазон рабочих температур.
Прогресс в области арсенидгаллиевой технологии привел к созданию СВЧ-модулей с высокой плотностью упаковки, на которых можно выполнить практически всю систему ЦЗС. На рис. 5 изображена структурная схема передатчика имитационных помех с использованием ЦЗС на арсениде галлия. Для компенсации запаздывания в измерении несущей частоты и установке частоты синтезатора при преобразовании требуемого участка частот (область промежуточных частот – 0–750 МГц) в основной канал передатчика включена СВЧ-линия задержки (ЛЗ) . После АЦП цифровой сигнал проходит через восьмиразрядный регистр с частотой синхронизации 1500 МГц при образовании восьми параллельных сигналов. Далее данные в параллельном режиме поступают на регистр-защелку в интервалы времени, соответствующие 1/8 частоты синхронизации, и затем на ОЗУ емкостью 4 или 16 К. После обработки данные проходят параллельно-последовательный восьмиразрядный сдвиговый регистр и поступают на ЦАП. Сформированный СВЧ-сигнал представляет собой копию входного. В передатчике помех может быть несколько систем ЦЗС.
Итак, системы ЦЗС обеспечивают когерентное и длительное запоминание радиосигнала и открывают хорошие перспективы для повышения эффективности средств РЭП. Благодаря этому они получили широкое распространение в современной технике РЭП [18]. Так, самолет Tornado оснащен контейнерной станцией помех, которая использует цифровую систему запоминания радиосигналов когерентных РЛС для формирования программируемых дезинформирующих помех. Габариты ЦЗС – 340х110х192 мм, масса – 7,5 кг, мощность потребления – не более 170 Вт [19]. Фирма Antekna выпустила систему ЦЗС, которая позволяет с помощью компьютера управлять в реальном масштабе времени параметрами модуляции по задержке, амплитуде и доплеровской частоте, а также изменять конфигурацию. Это дает возможность выбирать наилучший способ квантования – квадратурный, фазовый или амплитудный. При фазовом квантовании устройство обеспечивает мгновенную полосу частот 70 МГц, длительность запоминания 200 мс, минимальную задержку 75 нс, максимальную 3 мс, минимальную длительность запоминаемого импульсного сигнала 150 нс, уровень паразитных сигналов меньше –30 дБ. Еще одно достоинство устройства – возможность изменять разрешение от 1 до 8 бит [20].
Antekna также выпускает ЦЗС с широкой мгновенной частотной полосой и гибким перепрограммированием, которое можно использовать для модификации средств РЭП, оценки эффективности помехозащиты РЛС с импульсным и непрерывным излучением и для тренировки операторов РЛС. При амплитудном квантовании мгновенная полоса частот составляет 400 МГц в диапазоне 7,5–18 ГГц. При сопряжении с контроллером это устройство может формировать помеху, уводящую по дальности или скорости; согласованный увод по дальности и скорости; шумовые помехи; ложные цели по дальности и скорости; накрывающую импульсную помеху по дальности [21]. Основные параметры этой ЦЗС:
Специалисты Anaren Microwave создали систему ЦЗС с очень широкой частотной полосой. В режиме автоматического выбора гетеродина устройство имеет мгновенную полосу 11,5 ГГц (рабочий диапазон 7,5–18 ГГц), а в режиме внешнего целеуказания по частоте – 400 МГц. Динамический диапазон – 60 дБ, точность по частоте – не хуже 50 Гц для импульса в 1 мс [22].
Быстродействующие программируемые системы ЦЗС, выпускаемые фирмой SPEC, предназначены для формирования сложных сигналов с целью имитации реальных радиосигналов при разработке средств РЭП, их испытании и тренировке операторов, а также для коммерческой связи [23, 24].
Таким образом, системы ЦЗС позволяют разрабатывать аппаратуру РЭП с различными мгновенными полосами частот и структурой, с однобитовым или многобитовым квантованием по фазе и амплитуде. При этом обеспечивается низкий уровень паразитных сигналов. Для снижения энергетических потерь при образовании сигнала помехи путем пристыковки запомненных копий радиосигнала применяются методы устранения скачков фазы на стыках копий. Использование системы ЦЗС с широкой мгновенной полосой позволяет формировать помехи РЛС с перестройкой несущей частоты и упрощает устройство взаимного преобразования частоты. Многоканальное построение систем ЦЗС делает возможным формирование помех одновременно нескольким РЛС.
Помимо широкого использования в активных средствах РЭП, устройства ЦЗС находят применение в системах радиоэлектронной разведки, особенно для мгновенного определения частоты; при дезинформации распределенных систем связи, использующих широкополосные сигналы; в системах опознавания; при проведении различных испытаний аппаратуры и моделировании; в активных ловушках для защиты РЛС от противорадиолокационных ракет, а также в радиолокационной технике, связанной с согласованной фильтрацией сигналов [25].
ЛИТЕРАТУРА
1. The International Countermeasures
2. Handbook, 1986, p.297-302.
Microwaves and RF, 1983, v.22, №9, p.160.
3. Патент США №3 971 021.
4. Патент Франции №2 186 174.
5. IEEE Тransactions on ED, 1976, v. ED-23, №2, p.161-167.
6. Microwave Systems News, 1982, v.12, №9, p.87-127.
7. Engineering, 1978, v.1.
8. Electronic Warfare,1975,Jan-Febr, p.108-110.
9. IEEE Int.Conference, 1980.
10. Microwave Journal, 1986,v.29, №2, p.26-41.
11. Патент США №4 223 404.
12. Патент США №4 380 816.
13. Defense Electronics, 1986,v.18, №12, p.61,62,64.
14. Патент США №3 947 627.
15. Патент США №3 991 409.
16. Defense Electronics, 1986, v.18, №2., p.48-56.
17. The International Countermeasures Handbook, 1986, p.367-373.
18. International Defence Review, 1985, v.18, №2, p.169-177.
19. MILTECH, 1996, №5.
20. www.antekna.com/products/drfm.htm
21. www.antekna.com/products/widedrfm.htm. 12.02.98.
22. www.anaren.com/press%20releases/wideBndDRFMphoto.htm/.
23. www.SPEC.com/drfm.top.htm.
24. Aviation Week & Space Technology, 1987, v.18, №12, p.61,62,64.
25. Journal of Electronic Defence, 1998, v.21, №3,p.51-54.
Представляем авторов статьи
ЮДИН Леонид Михайлович. Начальник сектора ЦНИРТИ, кандидат технических наук, доцент. Заслуженный изобретатель РФ, лауреат Государственной премии, почетный радист РФ. Окончил Московский энергетический институт. Автор 150 научных трудов и 115 изобретений. Сфера профессиональных интересов – радиоэлектронные системы.
ФОМИЧЕВ Константин Иванович. Начальник сектора ЦНИРТИ, кандидат технических наук, доцент, почетный радист РФ. Окончил Ленинградский институт точной механики и оптики. Автор 130 научных трудов и 36 изобретений. Сфера профессиональных интересов – радиоэлектронные системы.
Контактный телефон: (095)263-9540
Для любого типа запоминающего устройства наиболее важными характеристиками являются: частотный и динамический диапазоны; чувствительность; длительность запоминания частоты; когерентность и спектральная характеристика запомненного сигнала; быстродействие; способность одновременного запоминания нескольких сигналов; информационный доступ к запомненному сигналу и возможность его считывания без разрушения информации; совместимость с другими устройствами системы РЭП и, наконец, стоимость, габариты, масса и энергетические параметры. Соответственно значениям этих характеристик наибольший интерес из всех перечисленных устройств запоминания частоты представляют традиционно используемые рециркуляторы радиоимпульсов и перспективные цифровые системы.
Рециркуляторы радиоимпульсов
За три с лишним десятилетия существования рециркуляторов радиоимпульсов техника запоминания в них настолько хорошо отработана, что эти устройства до сих пор используются в большинстве систем РЭП. Сущность запоминания в них состоит в многократной рециркуляции принятого сигнала через усилительно-задерживающую систему с обратной связью. Типовая структурная схема рециркуляционного устройства приведена на рис.1[1]. В состав устройства входит СВЧ-усилитель, охваченный контуром обратной связи, который содержит два направленных ответвителя, коммутатор и линию задержки. Поскольку на вход устройства могут поступать импульсные сигналы различной длительности (tс), необходима стробирующая схема для нормирования входного сигнала по длительности до значения, равного времени запаздывания (tз) в линии задержки контура обратной связи. После усиления нормированный сигнал разветвляется по мощности на две части. Одна часть поступает на выход как составляющая формируемого импульса помехи, а другая – через ответвитель, коммутатор, линию задержки и второй ответвитель снова поступает на вход усилителя. Коммутатором управляет формируемый логическим устройством импульс, который определяет длительность запоминания частоты. Так как длительность импульса на выходе стробирующей схемы равна времени запаздывания в линии задержки, радиоимпульс после первой циркуляции поступает на вход усилителя в момент прохождения через него заднего фронта входного радиоимпульса. Передний фронт второго радиоимпульса поступает на вход усилителя в момент прохождения через него заднего фронта первого радиоимпульса контура и т.д. В результате на выходе устройства формируется широкий СВЧ-радиоимпульс, частота заполнения которого равна частоте заполнения входного радиоимпульса. При формировании уводящей по дальности помехи этот широкий радиоимпульс стробируется и излучаются радиоимпульсы, длительности которых, соответственно, равны длительностям импульсов подавляемой РЛС.
Процесс рециркуляции с нарастанием мощности сигнала продолжается до тех пор, пока в результате уменьшения коэффициента усиления усилителя в области насыщения она не сравняется с потерями в контуре. Для контура обратной связи характерны широкая рабочая полоса частот и достаточно большое усиление (10–15 дБ), а в собственном шуме усилителя (на ЛБВ) преобладает спектральная составляющая, соответствующая максимальному усилению контура. Однако нарастанию собственных колебаний препятствует присущее ЛБВ свойство подавления слабых сигналов в условиях насыщения в пределах всей ее полосы пропускания частот. Подавление происходит при наличии любого относительно мощного сигнала, и чем глубже насыщение, тем сильнее подавление. Таким образом, в нормальных условиях входной радиоимпульс, амплитуда которого обычно устанавливается предусилителем на достаточно большом уровне, препятствует нарастанию собственных колебаний в контуре. Если рабочий частотный диапазон рециркулятора слишком велик и не позволяет реализовать нужное число рециркуляций радиоимпульсов, т.е. имеет место чрезмерное нарастание собственных шумов, то полосу частот следует делить на поддиапазоны. Для обеспечения требуемой частотной равномерности кольца рециркулятора в него включают эквалайзеры.
При использовании станции помех против когерентной РЛС необходимо обеспечивать когерентность запомненного сигнала. Здесь очень важную роль играет точность запоминания частоты, или, в общем случае, спектральная чистота запомненного сигнала. Если частоте центральной компоненты спектра импульсного сигнала на входе рециркуляционного устройства соответствует электрическая длина замкнутого контура, равная целому числу волн, то после каждой циркуляции фаза не отклоняется от значения фазы центральной компоненты, и запомненный сигнал является когерентным. Но если электрическая длина замкнутого контура равна нечетному числу полуволн, то после циркуляции фаза смещается на 180о. В этих условиях энергия концентрируется в боковых составляющих спектра, отстоящих на 1/2tз по обе стороны от центральной частоты входного сигнала, т.е. при длительности радиоимпульса 0,2 мкс – на +2,5 МГц. В результате теряется мощность сигнала помехи и нарушается фазирование (когерентность).
Чтобы исключить возможность снижения эффективности помех, создаваемых на основе рециркулятора, энергию сигнала помехи необходимо концентрировать на несущей частоте. Для этого нужно обеспечить полный набег фазы в рециркуляторе на несущей частоте, кратный 2p. На рис. 2 представлена структурная схема рециркулятора с автоподстройкой набега фазы. Входной радиоимпульс поступает на вход детектора, измеритель разности фаз и через переключатель – на усилитель, линию задержки и другой вход измерителя фазы. Переключатель через время, равное запаздыванию в линии задержки, переходит в положение 2, и начинается рециркуляция выборки входного радиоимпульса. Одновременно измеритель фазы определяет разность фаз между входным радиосигналом и задержанной из него выборкой, и на фазовращатель поступает соответствующее напряжение, которое устанавливает в рециркуляторе набег фазы, близкий к целому числу 2p. В результате манипуляция фазы существенно уменьшается, и энергия помехи концентрируется на несущей частоте РЛС. Переключатель остается в положении 2 в течение времени запоминания, например 5–10 мкс. После этого он возвращается в положение 1 и готов к приему следующего радиоимпульса, в том числе и на другой несущей частоте.
На практике достаточно устанавливать набег фазы с точностью до 45о. В этом случае вместо фазовращателя непрерывного действия можно использовать дискретный фазовращатель на четыре градации, что существенно упрощает построение схемы автоподстройки фазы рециркулятора. Возникающие при этом энергетические потери на несущей частоте не превышают 1 дБ. На рис. 3 приведена структурная схема передатчика уводящих по дальности помех, в которой применен рециркулятор с дискретной автоподстройкой набега фазы. В нем на один вход фазового детектора поступает входной радиоимпульс, а на другой – задержанный сигнал. Фазовращатель осуществляет сдвиг фазы задержанного сигнала, соответственно, на 0, 90, 180 и 270о с распределением получаемых сигналов на входы четырехпозиционного переключателя. Последний установлен в положение, обеспечивающее точность подстройки набега фазы в рециркуляторе не хуже 45о. Логическое устройство, на которое поступает продетектированный входной радиоимпульс, синхронизирует работу передатчика.
На точность запоминания фазы и частоты оказывают влияние также длительность передаваемого импульса уводящей по дальности помехи и его положение относительно входного импульса. Если нормированная длительность входного радиоимпульса рециркулятора равна длительности радиолокационного радиоимпульса, а задержка переднего фронта излучаемого импульса помехи в цикле увода кратна целому числу длительностей входного импульса, то воспроизведение спектра сигнала РЛС помехой будет достаточно точным. При всех других значениях длительности излучаемого импульса и временной задержки его переднего фронта в процессе увода искажение спектра растет. Воздействие расширения спектра сигнала помехи может быть снижено путем преднамеренного циклического изменения набега фазы в рециркуляторе, обеспечивающего уменьшение амплитуды спектральных составляющих помехи на дискретных частотах [2,3].
Цифровые системы запоминания сигнала
Поскольку эффективность имитационных и маскирующих помех импульсным РЛС во многом зависит от точности воспроизведения фазовых, частотных и временных характеристик радиолокационных сигналов, большое значение приобрели методы цифрового запоминания сигналов (ЦЗС), которые обеспечивают высокоточное воспроизведение структуры радиолокационного сигнала [7–12]. Упрощенная структурная схема системы цифрового запоминания СВЧ-сигналов представлена на рис. 4. Входной СВЧ-сигнал поступает на N-фазный преобразователь, где с помощью N-сигналов гетеродина (сигналы на фиксированной частоте с различными фазами) преобразуется в N-сигналы промежуточной частоты с разными фазами. Аналоговые сигналы промежуточной частоты затем преобразуются в цифровую форму с помощью N-фазного АЦП и квантуются в цифровом квантователе. Разрядность при этом зависит от числа воспроизводимых параметров входного сигнала. Например, если требуется воспроизвести только несущую частоту входного сигнала без его амплитуды, то достаточны две фазы преобразованного сигнала и только один бит для представления полярности каждого из двух преобразованных сигналов. В результате квантования по времени образуются выборки с периодом синхронизации, которые запоминаются в цифровом ОЗУ. Процесс восстановления входного сигнала включает многоканальное цифроаналоговое преобразование запомненных выборок с последующим преобразованием в N-фазном устройстве для восстановления частоты и фазы отдельных сигналов, которые после суммирования образуют восстановленный СВЧ-сигнал [13]. Совершенно очевидно, что наиболее простой система ЦЗС будет при однофазном преобразовании (N=1). Однако при этом вдвое сокращается мгновенная полоса рабочих частот. В то же время при удовлетворительных рабочих характеристиках системы с однофазным преобразованием на 60– 80% дешевле систем с многофазным.
Для сохранения информации не только о частоте (фaзе), но и амплитуде входного сигнала, необходим дополнительный канал, который включает в себя амплитудный детектор, АЦП, цифровое ЗУ, ЦАП и амплитудный модулятор для восстановления амплитудной информации в запоминаемом СВЧ-сигнале [14, 15].
Точность воспроизведения радиолокационного сигнала зависит от способности системы ЦЗС подавлять паразитные сигналы, динамического диапазона квантователя, мгновенной полосы системы и когерентности сигнала. Конкретно точность воспроизведения частоты импульсных радиосигналов определяется фазовой накапливаемой погрешностью в интервале длительности импульса. Фазовая погрешность зависит от разрядности преобразования и уменьшается с увеличением числа разрядов как при амплитудном, так и при фазовом квантовании (табл.1).
Применение многоразрядных АЦП позволяет уменьшить уровень паразитных составляющих, но этому сопутствует сужение мгновенной полосы и увеличение емкости ЗУ системы ЦЗС. Однако отказ от амплитудного АЦП в пользу фазового хотя и уменьшает разрядность квантования, зато сохраняет полосу частот и снижает потребляемую мощность и массу устройства. Фазовый квантователь имеет больший динамический диапазон и более простую конструкцию. Путем оптимизации формы сигналов при фазовом квантовании можно устранить шумовой фон и зависимость от длительности импульса, доведя относительный уровень паразитных составляющих до –20 дБ. В типовом случае в зависимости от применения системы ЦЗС паразитные сигналы подавляются в пределах от –10 до –40 дБ и более.
Мгновенная полоса систем ЦЗС определяется частотной полосой канала обработки сигналов промежуточной частоты. Обычно значение мгновенной полосы составляет 0,9 от частоты синхронизации и зависит от уровня техники АЦП. В табл.2 приведены параметры перспективных арсенидгаллиевых и современных кремниевых АЦП.
Для обеспечения когерентности важное значение имеет стабильность задержки. Применение кварцевых генераторов синхронизации со стабильностью частоты 10-12 обеспечивает нестабильность фазы меньше 1о при задержке 10 мкс.
Создание систем ЦЗС стало возможным благодаря достижениям в области СБИС, архитектурного построения ЗУ, а также техники дискретизации и квантования сигналов [16,17]. Структура систем ЦЗС постоянно совершенствуется. Их мгновенная частотная полоса может составлять 1–2 ГГц, а в перспективе – 2–5 ГГц. Уровень паразитных составляющих на выходе системы ЦЗС без применения фильтрации или многоуровневого квантования – от –10 до –20 дБ.
Поскольку основное направление развития систем РЭП – повышение скорости обработки сигналов, главную роль в этом процессе будут играть компоненты на арсениде галлия. Достоинства систем ЦЗС на арсениде галлия очевидны: высокое быстродействие, повышенная пропускная способность, расширенная мгновенная полоса, меньшее число компонентов и, как следствие, более высокая надежность. Расширение мгновенной полосы системы ЦЗС с 250 МГц (на кремнии) до 750 МГц (на арсениде галлия) обеспечивает перекрытие широкого диапазона частот передатчиком помех с меньшим числом ЦЗС, а также упрощает устройство взаимного преобразования частоты. Такие системы имеют повышенную точность воспроизведения сигналов благодаря увеличенным частоте выборок и разрядности квантования, а значит, быстрее и с большей эффективностью реагируют на угрозу. В числе других достоинств этих устройств – повышенная радиационная стойкость и более широкий диапазон рабочих температур.
Прогресс в области арсенидгаллиевой технологии привел к созданию СВЧ-модулей с высокой плотностью упаковки, на которых можно выполнить практически всю систему ЦЗС. На рис. 5 изображена структурная схема передатчика имитационных помех с использованием ЦЗС на арсениде галлия. Для компенсации запаздывания в измерении несущей частоты и установке частоты синтезатора при преобразовании требуемого участка частот (область промежуточных частот – 0–750 МГц) в основной канал передатчика включена СВЧ-линия задержки (ЛЗ) . После АЦП цифровой сигнал проходит через восьмиразрядный регистр с частотой синхронизации 1500 МГц при образовании восьми параллельных сигналов. Далее данные в параллельном режиме поступают на регистр-защелку в интервалы времени, соответствующие 1/8 частоты синхронизации, и затем на ОЗУ емкостью 4 или 16 К. После обработки данные проходят параллельно-последовательный восьмиразрядный сдвиговый регистр и поступают на ЦАП. Сформированный СВЧ-сигнал представляет собой копию входного. В передатчике помех может быть несколько систем ЦЗС.
Итак, системы ЦЗС обеспечивают когерентное и длительное запоминание радиосигнала и открывают хорошие перспективы для повышения эффективности средств РЭП. Благодаря этому они получили широкое распространение в современной технике РЭП [18]. Так, самолет Tornado оснащен контейнерной станцией помех, которая использует цифровую систему запоминания радиосигналов когерентных РЛС для формирования программируемых дезинформирующих помех. Габариты ЦЗС – 340х110х192 мм, масса – 7,5 кг, мощность потребления – не более 170 Вт [19]. Фирма Antekna выпустила систему ЦЗС, которая позволяет с помощью компьютера управлять в реальном масштабе времени параметрами модуляции по задержке, амплитуде и доплеровской частоте, а также изменять конфигурацию. Это дает возможность выбирать наилучший способ квантования – квадратурный, фазовый или амплитудный. При фазовом квантовании устройство обеспечивает мгновенную полосу частот 70 МГц, длительность запоминания 200 мс, минимальную задержку 75 нс, максимальную 3 мс, минимальную длительность запоминаемого импульсного сигнала 150 нс, уровень паразитных сигналов меньше –30 дБ. Еще одно достоинство устройства – возможность изменять разрешение от 1 до 8 бит [20].
Antekna также выпускает ЦЗС с широкой мгновенной частотной полосой и гибким перепрограммированием, которое можно использовать для модификации средств РЭП, оценки эффективности помехозащиты РЛС с импульсным и непрерывным излучением и для тренировки операторов РЛС. При амплитудном квантовании мгновенная полоса частот составляет 400 МГц в диапазоне 7,5–18 ГГц. При сопряжении с контроллером это устройство может формировать помеху, уводящую по дальности или скорости; согласованный увод по дальности и скорости; шумовые помехи; ложные цели по дальности и скорости; накрывающую импульсную помеху по дальности [21]. Основные параметры этой ЦЗС:
Специалисты Anaren Microwave создали систему ЦЗС с очень широкой частотной полосой. В режиме автоматического выбора гетеродина устройство имеет мгновенную полосу 11,5 ГГц (рабочий диапазон 7,5–18 ГГц), а в режиме внешнего целеуказания по частоте – 400 МГц. Динамический диапазон – 60 дБ, точность по частоте – не хуже 50 Гц для импульса в 1 мс [22].
Быстродействующие программируемые системы ЦЗС, выпускаемые фирмой SPEC, предназначены для формирования сложных сигналов с целью имитации реальных радиосигналов при разработке средств РЭП, их испытании и тренировке операторов, а также для коммерческой связи [23, 24].
Таким образом, системы ЦЗС позволяют разрабатывать аппаратуру РЭП с различными мгновенными полосами частот и структурой, с однобитовым или многобитовым квантованием по фазе и амплитуде. При этом обеспечивается низкий уровень паразитных сигналов. Для снижения энергетических потерь при образовании сигнала помехи путем пристыковки запомненных копий радиосигнала применяются методы устранения скачков фазы на стыках копий. Использование системы ЦЗС с широкой мгновенной полосой позволяет формировать помехи РЛС с перестройкой несущей частоты и упрощает устройство взаимного преобразования частоты. Многоканальное построение систем ЦЗС делает возможным формирование помех одновременно нескольким РЛС.
Помимо широкого использования в активных средствах РЭП, устройства ЦЗС находят применение в системах радиоэлектронной разведки, особенно для мгновенного определения частоты; при дезинформации распределенных систем связи, использующих широкополосные сигналы; в системах опознавания; при проведении различных испытаний аппаратуры и моделировании; в активных ловушках для защиты РЛС от противорадиолокационных ракет, а также в радиолокационной технике, связанной с согласованной фильтрацией сигналов [25].
ЛИТЕРАТУРА
1. The International Countermeasures
2. Handbook, 1986, p.297-302.
Microwaves and RF, 1983, v.22, №9, p.160.
3. Патент США №3 971 021.
4. Патент Франции №2 186 174.
5. IEEE Тransactions on ED, 1976, v. ED-23, №2, p.161-167.
6. Microwave Systems News, 1982, v.12, №9, p.87-127.
7. Engineering, 1978, v.1.
8. Electronic Warfare,1975,Jan-Febr, p.108-110.
9. IEEE Int.Conference, 1980.
10. Microwave Journal, 1986,v.29, №2, p.26-41.
11. Патент США №4 223 404.
12. Патент США №4 380 816.
13. Defense Electronics, 1986,v.18, №12, p.61,62,64.
14. Патент США №3 947 627.
15. Патент США №3 991 409.
16. Defense Electronics, 1986, v.18, №2., p.48-56.
17. The International Countermeasures Handbook, 1986, p.367-373.
18. International Defence Review, 1985, v.18, №2, p.169-177.
19. MILTECH, 1996, №5.
20. www.antekna.com/products/drfm.htm
21. www.antekna.com/products/widedrfm.htm. 12.02.98.
22. www.anaren.com/press%20releases/wideBndDRFMphoto.htm/.
23. www.SPEC.com/drfm.top.htm.
24. Aviation Week & Space Technology, 1987, v.18, №12, p.61,62,64.
25. Journal of Electronic Defence, 1998, v.21, №3,p.51-54.
Представляем авторов статьи
ЮДИН Леонид Михайлович. Начальник сектора ЦНИРТИ, кандидат технических наук, доцент. Заслуженный изобретатель РФ, лауреат Государственной премии, почетный радист РФ. Окончил Московский энергетический институт. Автор 150 научных трудов и 115 изобретений. Сфера профессиональных интересов – радиоэлектронные системы.
ФОМИЧЕВ Константин Иванович. Начальник сектора ЦНИРТИ, кандидат технических наук, доцент, почетный радист РФ. Окончил Ленинградский институт точной механики и оптики. Автор 130 научных трудов и 36 изобретений. Сфера профессиональных интересов – радиоэлектронные системы.
Контактный телефон: (095)263-9540
Отзывы читателей
