В настоящее время задача имитации целей в процессе испытания современных радарных систем с целью подтверждения их характеристик остаётся актуальной. Натурные испытания довольно дороги и требуют много времени. На рынке практически отсутствуют удобные и универсальные инструменты имитации радарных целей. Недавно компанией «Роде и Шварц был представлен комплекс на основе серийных приборов, призванный решить эту задачу.
Современный радиолокатор представляет собой пример сложной радиоэлектронной системы, воплощающей в себе самые передовые технические решения из областей полупроводниковой электроники, материаловедения, вычислительной техники, алгоритмов обработки данных и многих других областей. На заре радиолокации основной функцией радиолокатора было определение расстояния до цели и её угловое направление. Современные радары применяются для получения большого числа параметров (включая размер и форму цели) или окружающей обстановки, что обуславливает большое их разнообразие [1]. Радиолокационными целями могут быть самолёты, суда или ракеты, но в качестве целей РЛС могут также рассматриваться люди, птицы, атмосферные осадки, турбулентности ясного неба, ионизированные среды, особенности земной поверхности (растительность, горы, дороги, реки, аэродромы, здания, ограждения и линии электропередачи), море, лёд, айсберги, буи, подземные объекты, полярные сияния. В соответствии с назначением различают следующие типы РЛС:
- Импульсный радиолокатор
- Радиолокатор непрерывного излучения
- Радиолокатор высокого разрешения
- Радиолокатор со сжатием импульсов
- Радиолокатор с непрерывным ЧМ сигналом
- Обзорный радиолокатор
- Радиолокатор с системой селекции движущихся целей
- Импульсно-доплеровский радиолокатор
- Радиолокатор сопровождения
- РЛС картографирования
- Бортовая РЛС бокового обзора
- РЛС с синтезированной апертурой
- РЛС управления оружием
- РЛС наведения
- РЛС распознавания целей
- Метеорологический радиолокатор наблюдения
По дальности действия можно выделить радары ближнего, среднего и большого радиуса. Диапазон дальностей может составлять от нескольких метров (автомобильные радары), до нескольких тысяч километров (загоризонтная РЛС). В зависимости от радиуса действия используются различные диапазоны частот, чаще всего от 5МГц до 95ГГц. Для военных применений чаще всего встречается Х-диапазон (8ГГц-12ГГц).
В связи с тем, что РЛС является сложной радиоэлектронной системой, тестирование параметров как отдельных блоков (на этапе разработки), так и всей РЛС в целом является сложной и дорогостоящей задачей. Подвижные цели с высокой скоростью перемещения чаще всего имитируются с помощью самолётов. Час полёта военного самолёта стоит десятки тысяч долларов, в случае необходимости воспроизведения обстановки с множеством целей в течение нескольких недель или месяцев натурные испытания становятся весьма дорогостоящим мероприятием. Для удешевления и ускорения процесса тестирования (по крайней мере на предварительных этапах) можно воспользоваться всевозможными имитаторами целей. Имитаторами неподвижных целей могут выступать всевозможные аэростаты с закреплёнными отражателями с известной площадью рассеяния, мачты на полигонах с антеннами и линиями задержки и прочие конструкции.
Трудность при таком подходе заключается в оперативности изменения параметров цели (расстояние до цели, ЭПР, скорость, число целей). Кроме того, не всегда возможно перемещение готового изделия на место проведения испытаний ввиду массогабаритных параметров, потребляемой мощности или секретности проводимых работ.
На рынке существуют немногочисленные решения для имитации радарных целей (чаще всего на базе линий задержки, оптоволокна), все они выполняют только одну узкоспециализированную задачу, часто имитатор включают в состав разрабатываемой РЛС.
Проектирование имитатора как части вновь проектируемого радара требует выделения дополнительных ресурсов и времени, что сказывается на конечной стоимости изделия. До настоящего времени практически не существовало универсального решения для имитации целей, основанного на применении стандартного серийного измерительного оборудования. Компания Роде и Шварц восполнила этот пробел и создала опцию SMW-K78 для векторного генератора высшего класса SMW200A [2]. Генератор, оснащённый этой опцией и дополненный анализатором спектра высшего класса FSW, позволяет создать комплекс имитации эхо откликов радара в реальном масштабе времени. Под реальным масштабом времени понимается возможность получения эхо сигналов с заданными параметрами сразу же после задания этих параметров непосредственно из меню генератора сигналов. В этом решении нет необходимости привлечения внешнего ПК со специализированным программным обеспечением, предварительного расчёта параметров сигнала и загрузки его в генератор для воспроизведения. Параметры рассматриваемой системы для имитации радарных целей следующие:
- Диапазон частот 10МГц-40ГГц
- Максимальное число одновременно имитируемых целей 24
- Диапазон скоростей для частоты 3ГГц — 0 — 9493 м/с
- Диапазон скоростей для частоты 20ГГц — 0 — 1424 м/с
- Диапазон значений доплеровского сдвига — 0-190 кГц
- Разрешение по доплеровскому сдвигу — 0.01Гц
- Диапазон имитируемых дальностей 2,1км −10 000км
- Полоса частот сигнала 160МГц
- Задержка системы на переизлучение 11 мкС
Рисунок 1. Принцип работы имитатора целей
Система работает следующим образом: сигнал из приёмной антенны, направленной в сторону РЛС, оцифровывается анализатором спектра FSW и передаётся по скоростной цифровой шине на векторный генератор SMW200A. Генератор, используя аппаратный модуль замираний (опция FSW-B14), вносит в сигнал искажения — задержки, доплеровское смещение по частоте, изменение амплитуды из-за затухания в свободном пространстве с учётом ЭПР цели — и переизлучает сигнал обратно в сторону РЛС через передающую антенну (Рисунок 1). На все описанные выше процессы у системы из двух приборов уходит 11 мкс. Это значение обуславливает размер так называемой «слепой зоны», в данном случае это примерно 2,1км. Ограничение «слепой зоны» можно обойти, если радар излучает через равные промежутки времени однотипный сигнал. В этом случае можно применить функцию, позволяющую генерировать эхо сигнал с опережением, начиная со второго импульса. Тогда размер «слепой зоны» уменьшается до 10см. Для радаров с перестройкой по частоте от импульса к импульсу (в пределах полосы 160МГц) и псевдослучайным временем между импульсами размер «слепой зоны» составляет 2,1км.
Настройка комплекса начинается с соединения цифрового IQ выхода анализатора спектра FSW с цифровым IQ входом генератора SMW стандартным для приборов компании Роде и Шварц цифровым интерфейсом. При этом генератор автоматически определяет тип и серийный номер подключенного анализатора. Всё, что нужно выбрать пользователю — ширину полосы захвата сигнала из стандартного ряда значений от 10 до 160МГц. После этого необходимо выбрать на генераторе режим генерации эхо откликов радара, генератор начинает управлять работой анализатора спектра самостоятельно. На экране анализатора спектра будет отображаться захватываемый сигнал из эфира (рисунок 2).
Рисунок 2. Захваченный сигнал из эфира в частотной и временной области
Меню генератора сигналов в режиме имитатора целей состоит из нескольких вкладок, каждая из них позволяет задавать отдельную группу параметров тестирования (Рисунок 3). Во вкладке Radar Setup можно задать режим тестирования (по кабелю или по эфиру), коэффициент усиления приёмной и передающей антенны, смещение положения антенн, управление амплитудой переизлучаемого сигнала (ручное или в соответствии с уравнениями радиолокации), величину аттенюатора на приёме (если используется) и др.
Во вкладке Object Configuration можно задать от одного до 24 подвижных или статических объектов [2], максимальное число объектов определяется составом опций. дать им имена. Для подвижного объекта задаётся начальное и конечное расстояние имитации, скорость перемещения, смещение по фазе относительно принятого сигнала, эффективную площадь рассеяния (отражения). Для статичной цели набор параметров ограничивается расстоянием до цели, ЭПР и смещением фазы (Рисунок 4). Любые изменения параметров будут немедленно отражаться на выходном сигнале генератора.
Рисунок 3. Тестирование по эфиру
Рисунок 4. Вкладка задания динамической цели
Как было отмечено выше, генератор в состоянии автоматически рассчитать амплитуду переизлучаемого сигнала. В расчёт амплитуды входят такие параметры, как мощность передатчика испытуемого радара, коэффициент усиления его антенны, удвоенные потери в свободном пространстве, усиление сигнала за счёт отражения от объекта, усиление антенны РЛС при работе на приём (Рисунок 5).
Рисунок 5. Изменение уровня сигнала
Во вкладке Preview Objects меню генератора можно контролировать число и тип целей, находящихся в работе, расстояние до них и уровень сигнала при имитации. На Рисунке 6 показан пример имитации 4 целей — двух статичных и двух динамических с движением от радара и к радару соответственно.
Рисунок 6. Графическое отображение уровней сигналов
Преимущества использования имитатора целей на базе анализатора спектра FSW и векторного генератора SMW состоят в следующем:
- Широкий частотный диапазон.
- Простая настройка и быстрая изменение параметров цели.
- Нет необходимости в оптических линях задержки.
- Одновременная генерация нескольких целей.
- Автономность решения (синхронизация с РЛС не требуется).
- Форма сигнала может быть произвольной.
- Возможность добавления помех.
Используемые в составе комплекса приборы в любой момент времени могут быть переориентированы на решение иных задач самого широкого спектра: анализа непрерывных и импульсных сигналов с аналоговой (ЛЧМ, АМ, ФМ, Рисунок 7) и цифровой модуляцией, скалярного анализа цепей, измерение КШ усилителей, ГВЗ преобразователей частоты, компрессии усилителей на рабочем сигнале, фазового шума, имитацию помеховой обстановки на входе приёмных устройств, формирование навигационных сигналов GNSS, сигналов с любым типом модуляции, в том числе созданным в среде Matlab, Pulse Sequencer.
Рисунок 7. Измерение параметров усилителя
На базе генератора SMW и FSW помимо имитатора эхо откликов радара можно создать универсальное рабочее место разработчика, позволяющее тестировать как отдельные компоненты, законченные модули (приёмные, передающие тракты, модуляторы, демодуляторы) так и систему в целом — радары, системы радиосвязи (Рисунок 8). Такая универсальность, в конечном счёте, ведёт к значительной экономии времени на разработку, тестирование радаров и их узлов, сокращает расходы на контрольно-измерительное оборудование.
Рисунок 8. Анализ импульсного сигнала анализатором FSW
Заключение
Комплекс имитации целей от компании Rohde&Schwarz на основе векторного генератора SMW200A и анализатора сигналов FSW позволяет гибко моделировать различные сценарии отраженных радиолокационных сигналов. Это инновационное решение чрезвычайно полезно для испытаний некогерентных РЛС на всех этапах от ранней стадии разработки до заключительных приемо-сдаточных испытаний, а также для испытаний в реальных условиях и ресурсных испытаниях. К комплексу имитации целей имеется русскоязычное руководство пользователя [3], что также упрощает работу с ним.
Помимо имитации целей комплекс может применяться в тестировании пассивных и активных компонентов и устройств обработки сигнала РЛС, спутниковых систем, систем радиосвязи.
Литература
- Справочник по радиолокации/Под ред.М.И.Сколника. Пер. с англ. Под общей ред. В.С.Вербы. В 2 книгах. Книга 1. Москва: Техносфера, 2015. — 672 с. IBSN 978-5-94836- 381-3
- Генератор SMW200A — Технические характеристики, версия 04.02
- Генерация отражённых радиолокационных сигналов. Руководство по эксплуатации, номер документа 1177.6252.02-01
Александр ПАТШИН
Aleksandr.Patshin@rohde-schwarz.com
