Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0188

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0188
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники"
Название доклада
Решение задачи радиолокационного обнаружения сверхмалоразмерных объектов, разработка принципов функционирования и элементной базы РЛС непрерывного излучения системы мониторинга беспилотных летательных аппаратов типа «дрон»
Докладчик
Малютин Николай Дмитриевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели:
Исследование и разработка комплекса научно-технических решений, направленных на создание системы мониторинга верхней полусферы охраняемых объектов для предотвращения несанкционированного проникновения сверхмалоразмерных летательных аппаратов (ЛА) типа "дрон" в охраняемую зону с применением собственной СВЧ элементной базы.
Решаются задачи:
1) разработка и исследование метода радиолокационного обнаружения сверхмалоразмерных объектов;
2) разработка принципов проектирования систем обнаружения и определения координат и параметров движения сверхмалоразмерных летательных аппаратов с эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР) электромагнитных волн от 0,01 кв. м. при параллельном по времени обзоре верхней полусферы пространства;
3) разработка принципов функционирования и элементной базы РЛС непрерывного излучения;
4) разработка методов комплексирования радиолокационных и оптических средств при решении задачи предотвращения несанкционированного доступа в охраняемую зону сверхмалых ЛА;
5) создание экспериментального макета системы мониторинга отдельных секторов верхней полусферы для проведения экспериментальных лабораторных исследований и измерений параметров системы мониторинга в условиях радиофизического открытого полигона;
6) создание и защита результатов интеллектуальной деятельности, полученных при разработке системы и ее элементов;
7) проведение маркетинговых исследований, направленных на изучение областей применения системы мониторинга верхней полусферы и потенциального спроса;
8) разработка технических требований на проведение опытно-конструкторской работы предприятием промышленного партнера.
Актуальность и новизна исследования
Задача обнаружения сверхлёгких беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в последнее время становится остро актуальной из-за широкого распространения БПЛА, обусловленного их низкой стоимостью при одновременном непрерывном расширении функциональности как в части лётных характеристик, так и в части полезной нагрузки. Проведенный нами аналитический обзор методов решения этой задачи показал, что наибольшую надежность системы дает комбинация двух методов: радиолокационного и оптического. Радиолокационными методами осуществляется первичное обнаружение малоразмерных объектов, оценка угловых координат и оценивание дальности. Оптические методы используются для точного определения угловых координат объектов.
Новизна исследования состоит в следующем:
1) параллельный во времени обзор пространтсва многоканальной РЛС, включающей раздельные пространственно-разнесённые передающий и приёмный цифровые радиотракты СВЧ с применением отечественной элементной базы СВЧ;
2) применение зондирующих квази - непрерывных сложных сигналов с модуляцией типа ЛЧМ с шириной спектра до 2 ГГц;
3) создание доступных малошумящих устройств генерации сигналов с широкой полосой спектра (вплоть до единиц гигагерц) со средней мощностью излучения от единиц до десятков ватт (в зависимости от необходимой дальности действия системы);
4) создание устройств согласованной обработки широкополосных сигналов с низким уровнем собственных шумов и временем обработки, сравнимым с интервалом временной корреляции помех от подстилающей поверхности;
5) использование на практике комбинации аналогово-цифровой гомодинной и доплеровской обработки радиолокационных сигналов для повышения чувствительности системы.
Описание исследования

Методы решения задач

Создание системы мониторинга верхней полусферы на основе существующих РЛС в одноканальном варианте и с последовательным сканированием неприемлемо из-за большого времени обзора. Прямое использование массива готовых РЛС неприемлемо по причине высокой цены. Поэтому оправдано создание  многоканальной РЛС непрерывного излучения.

 Физической основой метода обнаружения малоразмерного объекта на фоне помех являются отличительные особенности структуры отраженных сигналов от неподвижных и движущихся объектов. При этом речь идет не только о сигналах, принятых с одного направления, но и о совокупности сигналов, пришедших с разных направлений, когда решение о наличии нужного объекта принимается по результатам сравнения радиолокационных изображений в координатах «дальность-азимут-угол места».

Для систем, работающих по предлагаемому алгоритму, не проводится когерентная обработка сигнала в пачке, и их эффективность (при фиксированной ширине телесного угла обзора пространства) определяется разрешением по дальности. При этом при повышении разрешения растет отношение сигнал/помеха, поскольку уменьшается «импульсная» площадь обратного рассеяния подстилающей поверхности. Выделение отклика цели на фоне помехи от подстилающей поверхности в системе производится по алгоритму череспериодной компенсации (ЧПК), что возможно реализовать и в некогерентной РЛС.

Для сохранения средней мощности излучения на уровне единиц ватт при ширине спектра зондирующего сигнала до 2 ГГц единственным разумным решением является использование непрерывных или квази - непрерывных сложных сигналов с ЛЧМ модуляцией. Их длительность (и частота повторения)  взята меньше интервала временной корреляции помехи. Для анализируемого диапазона 17 ГГц это 2,5 мс. При таких периодах повторения перемещение цели, движущейся с максимальной скоростью 50 м/с, составит 13 см. Отсюда максимальное необходимое разрешение по дальности dR  ~ 0.15 м, ширина спектра сигнала от 2 ГГц.

Реализация макета разрабатываемой системы осуществляется с решением технических задач:

– создания доступных малошумящих устройств генерации сигналов с широкой полосой спектра (вплоть до единиц гигагерц) со средней мощностью излучения от единиц до десятков ватт (в зависимости от необходимой дальности действия системы);

– создания устройств согласованной обработки широкополосных сигналов с низким уровнем собственных шумов и временем обработки, сравнимым с интервалом временной корреляции помех от подстилающей поверхности.

Цифровая обработка принимаемых сигналов, помимо компрессии принимаемого РЛ отклика согласованным фильтром, включает накопление в пачке. Таким образом, метод включает ранее не использовавшуюся на практике комбинацию аналогово-цифровой гомодинной и доплеровской обработки, что обеспечивает повышение чувствительности.

Очевидно, что совместное использование различия спектральных характеристик отраженных сигналов и высокого разрешения по дальности, а также применение оптических средств позволяет повысить технические характеристики радиолокационной системы обнаружения малоразмерного объекта.

Алгоритм обнаружения в многоканальной системе получается достаточно сложным, поэтому  разработана модель системы, описывающая процедуру обнаружения. Часть элементов модели детерминированная, причём такие элементы не обязательно статичные, они учитывают движение цели. Другая часть имитирует случайные процессы, связанные с флуктуацией отражающих элементов подстилающей поверхности.

Модель имеет модульную структуру и поэтому разрабатывается по частям. Например, исследование особенностей сжатия сигналов со сверхбольшими базами требует проведения свёртки очень длинных (64 МВыборок) комплексных сигналов во временной области с большими массивами (объём занимаемого ОЗУ до 16 ГБ и более), для чего требуется ЭВМ с 64 разрядной ОС и ОЗУ 32 ГБ. Результат моделирования потерь сжатия ЛЧМ сигналов с большими базами приведён на рис.1.

                             

Рис. 1. Иллюстрация потерь сжатия ЛЧМ с базами более 106 за счёт релятивистских эффектов (эффект укорочения сигнала, отражённого движущейся целью)

Конфигурация РЛС включает раздельные пространственно-разнесённые многоканальные антенны излучения и приёма, передающий и приёмный цифровые радиотракты СВЧ. Для зондирования выбраны сложные непрерывные или с малой скважностью сигналы с широким (до 2 ГГц) спектром длительностью до 100 мс. В рамках исследовательской работы создаётся макет 10-канального сегмента такой РЛС.

 

Результаты исследования

1. Разработка и исследование элементов системы мониторинга.

Микросхема удвоителя частоты

Разработан пассивный удвоитель частоты по балансной схеме частотного умножителя, состоящего из двух широкополосных мостов Маршанда и диодного кольца. Диоды были разработаны и изготовлены по технологии диодов Шоттки GaAs ("Микран" FAB).

Были исследованы традиционные варианты построения удвоителя, которые показали недостаточный уровень подавления паразитных гармоник. Чтобы получить подавление нечетных гармоник на выходе удвоителя с уровнем не менее 40 дБ, а гармоник 4-го порядка не менее 30 дБ по отношению к уровню входного сигнала, использована схема, показанная на рис. 1.

Индуктивности L1, L2 являются согласующими и корректирующими элементами, улучшающими подавление 1, 3, и 4-й гармоники на выходе. Расчетные потери преобразования 1-й, 3-й и 4-й гармоник при мощности входного сигнала 15 дБм показаны на рис. 2.

 

                      

                  Рис. 1. Схема диодного удвоителя с увеличенным уровнем подавления нечетных гармоник
 

                            

                 Рис. 2. Результаты моделирования потерь преобразования и подавления гармоник

Фотография МИС удвоителя показана на рис. 3.

 

                              

                              Рис. 3. Фото МИС удвоителя

Микросхема квадратурного смесителя диапазона 11.0 – 18.0 ГГц

Микросхема представляет собой монолитную интегральную схему квадратурного смесителя диапазона 11.0 – 18.0 ГГц. . На рис. 4 представлена электрическая принципиальная схема квадратурного смесителя.

 

Рис. 4                      

Трансформаторы TV1 – TV4 - мосты Маршанда на связанных микрополосковых линиях. Согласующие цепи выполнены  в виде микрополосковых отрезков линий, конденсаторы и тонкопленочные резисторы планарные. 90-градусный трансформатор TV5- мост Ланге. Диоды VD1-VD8 - квазивертикальные диоды Шоттки, выполненные по технологии QSBD «НПФ «Микран».

На рис. 5 представлена фотография кристалла. Габаритные размеры составляют 2.1х2.1 мм2.

 

Рис. 5                                         

На рис. 6 представлена частотная зависимость потерь преобразования смесителя на ПЧ 100 МГц, режим преобразования вниз, порт IF1.

 

Рис. 6                        

 

 

Моделирование системы мониторинга 

Расчёта ЭПР БПЛА в полосе частот 1-20 ГГц

В плане работ по моделированию системы мониторинга был проведен расчёт ЭПР металлических частей БПЛА в полосе частот 1-20 ГГц. Общий вид 3D модели представлен на рис. 7.

Рис. 7                     

На рис. 8 показан пример ЭПР БПЛА под углом облучения.

Оценены потери, вносимые  углепластиковыми деталями БПЛА. 

 

                     

                      Рис. 8. ЭПР БПЛА в вертикальной поляризации при -135 градусах

2. Структура РЛС

Приемный и передающий тракты

Решена задача повышения динамического диапазона  приемника на 17 дБ введением первого смесителя на основе кремния (рис. 9).  Состав схемы РЛС: СВЧ смеситель приёма (СМ СВЧ Прм) и передачи (СМ СВЧ Прд), гомодинный приёмный смеситель (ГСМ), ППФ ПЧ, усилители ПЧ fПЧ приёмника (УПЧ Прм) и передатчика (УПЧ Прд), а также СВЧ гетеродин фиксированной частоты fГСВЧ  (Гет СВЧ) и делитель мощности его сигнала (ДМ Гет). Тракт формирования сигнала излучения на СВЧ заменён на более простой тракт формирования сигнала излучения на ПЧ (ТрПрд ПЧ).

            

                        Рис. 9. Структура РЛС с приёмным трактом с двумя преобразованиями частоты

Антенный узел

Разработана антенна приемного и передающего тракта. Для построения оптимальной антенной системы решена теоретически и практически задача фазирования отдельных антенн в линейке и/или на полусфере с целью уменьшения боковых лепестков, создающих дополнительные помехи (см. рис.10). 

                          

                        Рис. 10. Диаграмма 128-элементной антенной решетки на прием (10 реализаций).

                                              Азимутальный угол ß в градусах, амплитуда в дБ

                            

 

 

 

 

Практическая значимость исследования
Промежуточные результаты создания системы мониторинга и отдельных ее компонент демонстрировались потенциальным заказчикам путем проведения натурных экспериментов по обнаружению БПЛА трех типов в условиях открытого полигона. Состоялось обсуждение результатов и высказаны рекомендации по использованию РЛС в охранных системах. Разрабатываемые метод, узлы и элементы применимы не только в создаваемой системе мониторинга, но и в другой аппаратуре СВЧ диапазона. Проведена апробация полученных научно-технических результатов на конференциях, выставках, в том числе международного уровня, Перечислим результаты, полученные в ходе выполнения ПНИЭР, опубликованные в журналах, доложенные на конференциях и опубликованные в виде статей в материалах (трудах) конференций.
1. Drobotun N., Drozdov V. A 12-26 GHz frequency doubler GaAs MMIC. 17th International conference of young specialists on micro/nanotechnologies and electron devices EDM 2016. Proceedings, Pp. 103-106. ISBN 978-1-5090-0785-1.
2. Drobotun N., Yanchuk D., Khoroshilov E. Compact Planar Ultra-Wideband Power Dividers with Frequency Range up to 67 GHz for Multichannel Receivers. European Microwave Week 2016 Conference Proceedings “Microwaves Everywhere”. UK, London, 3-7 October 2016. Pp.
3. Здрок А.Е., Шерстюк Д.В., Умаров А.М., Артищев С.А., Лощилов А.Г., Малютин Н.Д. Характеристики микрополосковых линий,
изготовленных методом принтерной печати нанодисперсными серебросодержащими чернилами. 26-я Международная Крымская конференция СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. Материалы конференции. 2016. С. 1390-1396.
4. Новиков А.В., Хлусов В.А. Способ формирования диаграммы направленности линейной антенной решетки на прием с низким уровнем боковых лепестков. 2016 13th International conference on actual problems of electronic instrument engineering (APEIE) – 39281 Proceedings. ISBN 978-5-7782-3003-3. С. 85-88.
5. Здрок А.Е., Шерстюк Д.В., Умаров А.М., Артищев С.А., Лощилов А.Г., Малютин Н.Д. Микрополосковая линия, изготовленная методом плоттерной печати чернилами, содержащими наночастицы серебра. Ее частотные и импульсные характеристики // Нанотехнологии: разработка, применение - XXI век. 2016. Т. 8. № 3. С. 3-8. ISSN: 2225-0980.