Генетический алгоритм с максимальным минимальным пересечением (GA-MMC), применяемый при оптимизации управления диаграммой направленности радиолокаторов с фазированной решеткой для систем слежения за ракетами

  1. 2.1. Система слежения за ракетами (RTS) 2.1.1. Особенности, требования и функции
  2. 2.1.2. Операция РТС
  3. 2.2. Радиационный контроль
  4. 2.2.2. Приложения
  5. 2.2.3. Реализация

2.1. Система слежения за ракетами (RTS)

2.1.1. Особенности, требования и функции

RTS является основным компонентом зоны слежения и состоит из радиолокационных датчиков, которые собирают и обрабатывают данные с траектории цели. Однако, несмотря на текущие знания о радарах, создание RTS сопряжено со значительными техническими проблемами, поскольку цель может иметь уменьшенное поперечное сечение и находиться на расстоянии сотен миль, что приводит к необходимости использования передатчиков большой мощности (пиковые значения в сотни кВт). ) и антенны с быстрым сканированием и высокой точностью. показывает блок-схему следящего радара.

показывает блок-схему следящего радара

Структурная схема следящего радара.

Устройства, которые выполняют задачи каждого блока, должны быть спроектированы таким образом, чтобы удовлетворять различным требованиям к работе радара, таким как точное отслеживание в трехмерном положении, дальность на большие расстояния, высокая надежность, простота обслуживания, низкая вероятность ложных тревог, обнаружение в экстремальных условиях условия (скрытые цели или объекты с очень высокими или очень низкими скоростями), подавление помех, фильтрация шума в радиочастотных цепях и подавление помех, вызванных коммерческими передатчиками или контрмерами (например, помехами) [ 9 ].

Более того, в самых сложных условиях работы процессор и антенна заслуживают особого внимания. Антенны будут рассмотрены в разделе 2.2. Что касается процессоров, был достигнут значительный прогресс в технологии цифровых сигналов благодаря высокой степени интеграции полупроводников, миниатюрных микроволновых интегральных схем и вычислительных схем для СВЧ-схем. Обработка сигналов и данных должна извлекать информацию из цели, такую ​​как формат, положение и скорость, а также устранять помехи, шумы и помехи, которые могут насытить приемник, предотвращая обнаружение реальных целей или генерируя ложные цели обнаружения [ 11 , 24 ].

Фильтрация данных является частью этого процесса, который удаляет данные, сгенерированные при обнаружении ошибок, и вычисляет данные о будущем местоположении для направления антенн. В этом случае успех отслеживания зависит от выбора соответствующих динамических моделей движения цели [ 25 , 26 ], учитывая, что цели в целом, такие как коммерческие самолеты, ракеты или ракеты, могут характеризоваться тремя основными динамическими движениями: движение с постоянной скоростью, ускоренное движение и вращательное движение [ 27 ]. Широко используемая динамическая модель - это фильтр Калмана, который является основой для разработки многих других моделей [ 28 ].

Таким образом, основным измерением радиолокационных систем, как для слежения, так и для наблюдения, являются трехмерные координаты положения цели ( x , y и z в декартовых координатах). Основное отличие состоит в том, что отслеживание направлено на обнаружение и преследование конкретной цели, в то время как наблюдение отслеживает область пространства для обнаружения неизвестных целей [ 29 ]. Следовательно, при отслеживании, помимо определения положения, датчик должен обеспечивать быструю и точную оценку будущих кинематических параметров цели [ 30 ]. Таким образом, учитывая время сканирования, обработка слежения должна быть намного быстрее (около миллисекунд), чем слежение за наблюдением (около 5 с [ 25 ]).

Помимо обработки, функции слежения и наблюдения различаются с точки зрения радиолокационного расстояния до цели и скорости реакции радара. В общем, во время наблюдения, как и при управлении воздушным движением, цель движется со своей главной осью, приблизительно параллельной вектору скорости, и находится далеко от радара [ 31 ], поэтому разумно предположить, что цель и радар находятся в одной горизонтальной плоскости [ 32 , 33 ]. Однако при слежении это предположение не может быть учтено, особенно для так называемых платформенных или площадных радаров. Эти радарные датчики расположены вблизи места запуска, чтобы отслеживать ракеты с момента зажигания, поэтому они подвержены быстрым изменениям угла места, что требует высокой скорости реакции на движение луча радара.

При нормальной работе другое отличие - это ширина луча. Как правило, из-за требований к точности измерения положения цели ширина луча следящих радаров часто очень узка (например, порядка 1,0 ° –2,5 ° [ 3 , 28 , 34 ]), в то время как в радарах наблюдения, которые стремятся охватить большую площадь за один раз, лучи имеют тенденцию быть большими (например, диапазон от 15 ° до 90 ° [ 34 , 35 ]). Несмотря на эти различия, можно получить многофункциональную систему с гибридными радиолокационными датчиками для одновременного выполнения задач слежения и наблюдения [ 29 ]. Для этого, принимая во внимание сложность дизайна и реализации, можно использовать PAR, которые являются более гибкими. Следовательно, эти многофункциональные системы могут быть получены из систем слежения путем внесения необходимых изменений в процесс сканирования радиолокационных датчиков для выполнения задач наблюдения, таких как противовоздушная оборона и предупреждение о ракетах. На рисунке показана иллюстрация для сравнения различий в ширине луча и расстоянии от цели радара между следящим радаром и радаром наблюдения.

На рисунке показана иллюстрация для сравнения различий в ширине луча и расстоянии от цели радара между следящим радаром и радаром наблюдения

( а ) РЛС для слежения за ракетами возле стартовой площадки. ( б ) Радиолокатор наблюдения для дистанционного управления воздушным движением.

2.1.2. Операция РТС

Чтобы определить траекторию цели, РТС должна пройти несколько этапов. Первоначально необходимо определить режим слежения, который может быть либо радаром, либо транспондером. Режим ретранслятора обеспечивает большую дальность и работает с разными частотами передачи и приема, поскольку сигнал, принимаемый радиолокационным датчиком, является «ответом», посылаемым ретранслятором, установленным на цели. В режиме радара (также называемом слежением за кожей) диапазон меньше, а частота одинакова как для передачи, так и для приема, поскольку принятый сигнал является эхом сигнала, передаваемого радаром, и отражается целью. В режиме приемоответчика проводятся испытания для проверки связи цели с радаром. Отслеживание происходит в автоматическом режиме с момента запуска, когда радар корректирует свое положение, не полагаясь на ручное вмешательство. Однако, если отслеживание происходит в режиме радара, необходимо знать ожидаемую траекторию цели, называемую номинальной траекторией (NT), чтобы оператор радара направил антенну на определенные локальные точки (точки ожидания) NT, в Для того, чтобы найти цель в космосе и начать автоматическое отслеживание.

Если во время полета возникает неисправность, и радар теряет автоматическое слежение, есть несколько альтернатив для возобновления слежения. Во-первых, более простым и менее точным является ручное сканирование, при котором оператор размещает антенну радара рядом с местом, где было потеряно местоположение, или в следующей точке ожидания NT. Этот вариант менее рекомендуется из-за высокой скорости, с которой цель (например, ракета или ракета) меняет положение. Вторая альтернатива называется обозначением, которое получается из данных других радарных датчиков или самой NT.

Обозначение происходит от существующей избыточности в сети радарных датчиков, которые интегрируют RTS, так что, предпочтительно, более чем один радар одновременно отслеживает цель. Это возможно, если каждый радарный датчик работает на разной частоте, что позволяет избежать помех между ними. Однако ранее должны быть установлены и должным образом контролироваться разные частоты, включая точность передачи передающего оборудования, чтобы гарантировать, что предварительно установленные значения будут точными и не будут мешать друг другу, например, при получении гармоник или нежелательных шумов. в каждом радиолокационном датчике передатчик.

Обеспечивая это разделение на разные частоты, можно построить сеть RTS [ 36 ], который позволяет отслеживать транспортные средства по длинным траекториям, так называемая сеть отслеживания. Это возможно потому, что радарные датчики сети взаимосвязаны и стратегически расположены в разных местах, так что каждый радар отслеживает цель в течение части ее траектории. Этого нельзя было сделать с помощью радаров возле платформы из-за отсутствия видимости, либо из-за препятствий на линии прямой видимости, либо из-за искривления самой Земли. Таким образом, радарные датчики имеют видимость цели только в течение ограниченного периода полета, и когда они близки к потере местоположения цели, они информируют следующий сетевой радар, который возобновляет отслеживание.

Данные, полученные по сети, обеспечивают более надежную работу [ 37 , 38 ] и более точная оценка целевой позиции [ 39 ]. Это происходит потому, что радары работают с избыточностью, предотвращая потерю местоположения одним радаром, нанося ущерб трекингу в целом. Кроме того, он позволяет сравнивать данные с нескольких радаров (во время или после отслеживания), чтобы проверить надежность и точность измерений. Таким образом, избыточность в RTS предотвращает ошибки, вызванные отказами человека, поломками оборудования, неожиданным поведением целей (например, резкими маневрами или фрагментацией) и нежелательными условиями в среде распространения (такими как отсутствие линии прямой видимости, беспорядок, шум и помехи) ,

Таким образом, если радарный датчик пропускает местоположение цели, некоторая другая информация радара в сети используется в качестве резервной копии для повторного обнаружения цели. Перед передачей между различными радиолокационными датчиками информация должна быть обработана, чтобы скорректировать время задержки и различия в происхождении систем координат. С другой стороны, если радар не отслеживается, можно выбрать обозначение NT, которое гораздо точнее ручного сканирования. Однако NT не является полностью надежным, так как климатические условия (такие как направление и скорость ветра) и изменения в поведении цели во время движения могут значительно изменить реальную траекторию относительно NT. В сети имеется RTS с двумя радарными датчиками в сети и блок-схема работы радара № 1.

( a ) Система слежения за ракетами (RTS) с двумя радиолокационными датчиками. ( б ) Блок-схема работы радара № 1.

2.2. Радиационный контроль

2.2.1. Поэтапный массив (PA)

Радиационные характеристики антенны должны соответствовать проектным требованиям и варьироваться в зависимости от ее формы и строительных материалов, которые являются факторами, определяющими распределение электрических и магнитных полей. Как правило, для одной антенны распределение этих полей, видимое по диаграмме направленности, относительно невелико и имеет низкие значения усиления [ 7 ]. Однако такие приложения, как радарные датчики RTS, требуют антенн с высоким коэффициентом усиления и управления, которые могут быть выполнены путем объединения нескольких элементов излучателя в одну структуру, называемую антенной решеткой [ 7 , 8 , 20 ]. В массиве, помимо геометрии элементов (пространственное распределение и расстояние) и типа антенны (провода, петли, отверстия, микрополоска или их комбинация), можно динамически форматировать диаграмму направленности, управляя амплитудой и фазой сигналов возбуждения (электронное управление) каждого элемента, исходящих ООПТ [ 7 ].

В настоящее время, когда цифровые процессоры становятся все более быстрыми и дешевыми, такое управление стало более распространенным, предоставляя новые функциональные возможности, такие как улучшение зоны покрытия, качества передаваемого / получаемого сигнала (больший коэффициент усиления) и подавление помех. Это достигается такими факторами, как точное позиционирование наклона основного луча, ширина луча и гибкость номера луча, высокая скорость сканирования, увеличенное усиление, уменьшение боковых лепестков и подавление мешающих сигналов (нулевое позиционирование).

Для построения PA элементы распределяются вдоль оси (линейная решетка), плоской поверхности (плоская решетка) или трехмерной поверхности (трехмерная решетка). Пренебрегая взаимной связью между элементами, полные поля PA получаются посредством векторного состава среди полей их элементов. Следовательно, высокий коэффициент усиления достигается за счет воздействия конструктивных помех в нужном направлении и разрушительных помех в других направлениях. В России имеется линейный массив изотропных элементов, часто используемых для формирования более сложных антенн. Например, планарный массив можно рассматривать как «линейный массив линейных массивов». Планарные массивы требуют более сложных схем возбуждения, хотя они позволяют лучше контролировать характеристики излучения, такие как симметричная диаграмма направленности и меньшие боковые лепестки.

Линейный массив из M изотропных элементов.

Общее дальнее поле PA ( ET ) равно полю элемента, расположенного в контрольной точке ( Eel ), умноженному на поле массива или на коэффициент массива AF , как показано в [ 7 ]. Этот процесс называется умножением диаграмм направленности и может распространяться на ООП из нескольких элементов [ 7 , 8 ]. В общем, AF зависит только от геометрии и возбуждения PA, что облегчает проекты, разработанные для изотропных элементов и затем экстраполированные на любой тип элемента.

AF позволяет затем согласовать PA-излучение с желаемым приложением с углом наклона основного лепестка, находящимся между широким и боковым направлениями. Кроме того, он снижает уровень боковых лепестков, избегая помех, областей без покрытия и потери мощности в основном направлении [ 7 , 13 ]. В этом случае диаграмму направленности можно проследить по интенсивности излучения U , которая для изотропных элементов равна квадрату AF [ 7 ]. Для линейного массива с изменением только угла наклона θ нормализованное выражение U в дБ приведено в. Параметром, используемым для количественного определения уровня боковых лепестков, является относительный уровень боковых лепестков (RSLL), рассчитываемый как отношение между амплитудами основного лепестка AM и большего бокового лепестка AS , согласно (3) [ 20 ].

AF для симметричной линейной решетки с четным числом элементов ( N = 2 М ) определяется как амплитуда возбуждения, β постоянная разность фаз между соседними элементами (прогрессивная фаза), d равномерное расстояние между элементами, λ длина волны и θ угол распространения, относящиеся к оси массива [ 7 ].

По сравнению с другими технологиями электронное управление обладает большей гибкостью, долговечностью и функциональностью благодаря встроенным делителям мощности и фазовращателям. Обычно используется амплитуда для управления уровнем боковых лепестков и фаза для управления направлением главного лепестка, так что принятая конфигурация зависит от баланса между усилением, уровнем боковых лепестков и шириной луча [ 7 , 13 ]. Некоторыми традиционными детерминированными методами электронного управления являются Униформа, Биномиал и Дельфа-Щебищева, кроме вероятностных методов, таких как GA.

2.2.2. Приложения

RTS обычно используется в центрах запуска и слежения с параболическими отражателями (PRR) [ 1 - 6 ], из-за их большой дальности и высокой точности наведения [ 7 , 8 ]. С другой стороны, PRR имеют некоторые ограничения, такие как (а) сложность определения местоположения цели в космосе из-за очень узкого луча и высокой скорости цели после запуска, (б) наличие одиночного луча, не позволяющее многократное отслеживание, как отделенные транспортные средства, испытания ракеты, запускаемой воздушным судном (в момент отделения самолета от ракеты) или аварии с фрагментацией транспортного средства, (c) повороты по азимуту и ​​высоте антенны производятся электромеханическими устройствами (сервомеханизмами) на низкой скорости и с большей потребностью (d) неисправность любого антенного устройства может привести к неработоспособности радиолокационного датчика.

Чтобы преодолеть такие ограничения, альтернативой является использование RTS с PAR, чьи датчики состоят из антенных решеток для электронного управления диаграммой направленности [ 9 , 10 ]. Это создает новые функциональные возможности, такие как большие области сканирования в критические моменты времени (вскоре после запуска) и возможность одновременного отслеживания нескольких целей. Кроме того, без электромеханических устройств меньше ошибок преобразования, меньше потерь и меньше затрат на техническое обслуживание, что улучшает калибровку, эффективность и надежность. Также возможно отслеживать, даже если датчик поврежден, в случае повреждения определенных элементов массива во время отслеживания.

Таким образом, PAR используются для наблюдения и слежения с 1960-х годов и до наших дней, обеспечивая предупреждения о нападении вражескими ракетами и мониторинг объектов на орбите. В качестве примеров можно привести систему раннего предупреждения о баллистических ракетах (BMEWS), радар на площадке для ракет (MSR), датчанин кобры (AN / FPS-108), PAVE PAWS (AN / FPS-115) и кобру Джуди (AN / SPQ-11) Все разработано Министерством обороны США [ 28 , 34 ].

Другими примерами возможного применения PAR являются: распределение нулей диаграммы направленности в направлении прихода мешающих сигналов, вызванных гармониками в коммерческих передатчиках или контрмерами (помехами) [ 11 , 40 - 44 ]; изменение формата диаграммы направленности радиолокационных датчиков RTS на основе временного мультиплексирования между широкими лучами (большая область сканирования) и узкими лучами (большая точность наведения) [ 29 , 44 ]; слежение за каждым участником авиационного формирования, даже если эти члены маневрируют относительно близко друг к другу, с тем чтобы формирование не сбивало с толку систему обороны [ 45 ].

Чтобы проиллюстрировать применение PRR и PAR, в: есть (a) радиолокатор Bearn с параболическим отражателем (PR) в диапазоне C, используемый для отслеживания ракет и ракет, в пусковом центре Barreira do Inferno, военно-воздушные силы Бразилии, в Парнамирим Р.Н., Бразилия [ 46 ], (b) Радар Cobra Dane, PA в диапазоне L, используемый для наблюдения за ракетами и последующего наблюдения за космосом на базе Шемья, ВВС США, о-в Шемья, АК, США [ 47 ].

( а ) Bearn радар [ 46 ]. ( б ) радар Кобра Дейн [ 47 ].

С другой стороны, разработка ООПТ не означает неиспользование обычных радаров PR. Интересный вариант - создать композицию между этими двумя радарами, чтобы воспользоваться обоими настройками. Так обстоит дело с радиолокатором с активной фазовой антенной решеткой (APAR), разработанным Thales Nederland (Hollandse Signaalapparaten Besloten Vennootschap) для обеспечения противовоздушной обороны для линкоров Германии, Канады и Голландии, в которых существует комбинация между радаром PA и дальним расстоянием. обычная система наблюдения (SMART-L) [ 29 ]. В случае RTS может быть выполнена ассоциация между PAR и PRR. PAR будут отвечать за слежение вскоре после запуска, выступая в качестве радаров платформы из-за их более широких и быстрых лучей, в течение периода, когда скорость ракеты высока, а риск потери местоположения цели выше. С другой стороны, обычные PRR будут отслеживать более длинные траектории, действуя как дальние радиолокаторы, поскольку они имеют высокую мощность и узкие лучи. Эта связь между PAR и PRR показана на рис.

Эта связь между PAR и PRR показана на рис

Сеть слежения с радиолокаторами с фазированной решеткой (PAR) и параболическими отражателями (PRR).

2.2.3. Реализация

Хотя использование PA в радиолокационных системах было консолидировано в течение достаточно долгого времени, их конструкция может быть довольно сложной, требующей множества элементов и соединений, в зависимости от требований приложения, таких как точность наведения основного луча, уменьшение боковых лепестков или нулевой уровень диаграмма направленности [ 35 ]. Таким образом, электронное управление диаграммой направленности оказалось одной из основных задач при проектировании антенн для гражданских и военных радиолокационных систем [ 12 , 15 , 48 ]. Разработчик PA анализирует детали массива и ограничения, налагаемые радиолокационной системой, чтобы попытаться оптимизировать конструкцию, тогда как анализ PA намного сложнее, чем анализ пассивной антенны, установленной механически, из-за изменения рабочих характеристик в массиве в соответствии с углом сканирования [ 10 ]. Кроме того, чтобы контролировать диаграмму направленности, PA состоят из нескольких элементов, питаемых с переменной амплитудой и фазой, или с помощью временной задержки при возбуждении каждого элемента [ 10 , 35 ].

Определение весов амплитуды и фазы элементов PA может быть выполнено несколькими автономными или интерактивными (в режиме реального времени) методами оптимизации с различными типами адаптивных алгоритмов для управления диаграммой направленности излучения [ 25 , 28 , 36 , 44 , 49 ]. Необходимо выделить результаты автономного расчета подавления боковых лепестков с помощью электронного бокового лепестка Steerable Radar (ELRA) [ 41 ]. В автономном режиме, когда указывается угол наведения, алгоритм вычисляет предварительно рассчитанную таблицу с комбинацией сигналов, соответствующих этому углу [ 48 ]. Однажды в режиме реального времени такой таблицы нет, и алгоритм выполняется в режиме онлайн во время отслеживания. Обычно PA имеют много элементов, таких как: Демонстрационный радар с жесткой точкой (HAPDAR) с 4300 элементами [ 35 ], Многофункциональный адаптивный радар с электронным сканированием (MESAR) на 900 элементов [ 40 ] и ELRA с 300 элементами на передатчике и еще 768 элементами на приемнике [ 41 ]. Тем не менее, возможной трудностью для PA является ограниченная область поиска, так как, как правило, максимальный угол сканирования планарной решетки составляет 60 ° в ширину, что ограничивает сканирование лица плоской решетки до 120 ° [ 9 , 41 ].

Таким образом, альтернативы необходимы для полного сканирования по азимуту. Первая альтернатива, используемая на самолетах-истребителях, - это трехмерный массив, соответствующий фюзеляжу. Его элементы активны во всех направлениях одновременно, обеспечивая более широкое поле зрения и большую скорость сканирования. Такая реализация, однако, может быть довольно дорогостоящей [ 9 ]. Другой альтернативой является плоская решетка на механическом вращающемся основании, которая была бы более дешевым решением, несмотря на то, что она неизбежно привносит недостатки электромеханических устройств, такие как более низкая скорость сканирования и более высокая вероятность дефектов [ 43 ]. Промежуточной альтернативой является использование четырех плоских массивов, образующих грани пирамиды, для достижения наилучшего баланса между стоимостью и областью сканирования. Это решение было создано Соединенными Штатами для противовоздушной обороны как на земле, так и на кораблях [ 42 ]. В, есть схема двух последних упомянутых решений.

В, есть схема двух последних упомянутых решений

Сканирование альтернатив. ( а ) Ротационная основа. ( б ) Пирамидальная основа.