Статья: Авиационные мобильные малогабаритные радиолокаторы с синтезированной апертурой семейства Компакт (принципы реализации и опыт применения)

ФГУП "Научно-исследовательский институт точных приборов" (г. Москва)

Авиационные мобильные малогабаритные радиолокаторы с синтезированной апертурой семейства «компакт» (принципы реализации и опыт применения)

С. Л. Внотченко, М. Ю. Достовалов, А. В. Дьяков, И. В. Дьяков, Р. В. Ермаков, Е. П. Жаровская,

А. И. Коваленко, Т. Г. Мусинянц, Л. С. Нейман, В. В. Риман, В. Е. Суслов

Аннотация

мобильный радиолокатор авиационный дешифрирование

Описаны основные функциональные и конструктивные особенности аппаратуры малогабаритных мобильных радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) авиационного базирования семейства "Компакт". Представлены основные характеристики РСА Х-, L-, P- и VHF-диапазонов, рассмотрены особенности их применения на летательных аппаратах различных типов. Приведены примеры обработки и тематического дешифрирования радиолокационных данных, полученных в ходе проведёния съёмок в интересах различных заказывающих организаций.

Ключевые слова: малогабаритные мобильные радиолокаторы, радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА), дешифрование радиолокационнных данных.

Широкополосные когерентные импульсные радиолокаторы бокового обзора - радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА), размещаемые на аэрокосмических носителях, позволяют получать радиолокационные изображения (РЛИ) земной поверхности с высокой разрешающей способностью и являются ключевым элементом современных и перспективных информационных технологий радиолокационного дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) (РСА-технологий) [1]. РСА авиационного базирования широко применяются в военном деле (в качестве эффективного разведывательного средства), а также для получения информации ДЗЗ, используемой для решения экономических, хозяйственных и научно-прикладных задач. Данное обстоятельство обусловило большую активность развитых стран мира (США, страны ЕС и др.) в создании, применении и распространении РСА авиационного базирования. В научной литературе достаточно подробно представлены сведения о характеристиках и принципах реализации авиационных РСА "ИМАРК" (Россия) [2], RAMSES [3], CARABAS-II (Швеция) [4] и др. Общей характерной особенностью бортовой радиолокационной аппаратуры перечисленных РСА является достаточно высокая степень её интеграции с конструкцией и бортовыми системами конкретного самолёта (вертолёта). Это свойство естественным образом налагает на данные системы определённые функциональные и эксплуатационные ограничения (в том числе, экономического характера) при практическом выполнении радиолокационных съёмок в районах, существенно удалённых от места основного базирования летательного аппарата (ЛА) - носителя РСА. Снятие ограничений подобного рода может быть достигнуто путём реализации аппаратуры РСА в малогабаритном исполнении при одновременном обеспечении её максимальной конструктивной и информационной автономности от ЛА. Именно эти принципы, начиная с 1997 года, были положены в основу при реализации РСА семейства "Компакт", созданных в ФГУП "Научно-исследовательский институт точных приборов" (ФГУП НИИТП, г. Москва), что в значительной степени, определило технический облик радиолокационной аппаратуры.

Цель работы - систематизация сведений о принципах реализации и опыте применения авиационных мобильных малогабаритных РСА на примере РСА семейства "Компакт".

История создания

ФГУП НИИТП занимается созданием радиотехнических информационных систем для ракетно-космической отрасли России. Для экспериментальной отработки создаваемых бортовых радиолокационных систем в конце 70-х годов ХХ века в институте были созданы летающие лаборатории на базе самолётов Ту-104, Ту-134, а в 1988 года - на базе самолёта Ил-76 МД. В те же годы были получены первые радиолокационные изображения земной поверхности, отличавшиеся весьма умеренными значениями пространственного разрешения (порядка 100 м).

РЛИ высокого пространственного разрешения (~3-5 м) впервые в России были сформированы в апреле 1995 г. по данным съёмок, проведённых с помощью радиолокационного комплекса ИК-ВР с борта самолета Ил-76МД; в то время это представляло собой весомое научно-техническое достижение.

Идея мобильности возникла при определении путей дальнейшего развития авиационных РСА в ФГУП НИИТП в 1996-97 гг., в первую очередь, как антитеза чрезмерной привязанности радиолокатора к специализированному авиационному носителю.

Для практической реализации мобильности, в первую очередь, необходимо было обеспечить:

? относительную малогабаритность аппаратуры РСА;

? конструктивную автономность антенного устройства РСА от авиационного носителя.

Кроме того, выполнение замкнутого технологического цикла автоматизированного планирования радиолокационных съёмок, управлением бортовой аппаратурой в ходе съёмки, регистрация и обработка полученных радиолокационных данных (радиоголограммы), потребовало разработки весьма развитого программно-математического обеспечения.

Именно, с учётом этих положений, с 1997 г. в ФГУП НИИТП целенаправленно ведётся последовательная систематическая деятельность по созданию ряда мобильных авиационных РСА серии (семейства) "Компакт", функционирующих в различных частотных диапазонах. Ключевым моментом в реализуемости идеи мобильных РСА явилось экспериментальное подтверждение возможности работы антенны РСА через штатный иллюминатор воздушного судна. Данное техническое решение впервые в мире было практически воплощено в РСА "Компакт-1" в 1997 г. и защищено патентом [5].

Изложенный подход к реализации авиационных РСА оказался весьма плодотворным.

Малогабаритность, стандартизованные конструктивные размеры и унифицированное программное обеспечение позволяют в достаточно короткие сроки создавать бортовые радиолокационные системы, реализующие различные конфигурации и схемы радиолокационного наблюдения, в том числе, такие как:

? многодиапазонные РСА, обеспечивающие одновременное радиолокационное наблюдение земной поверхности в нескольких частотных диапазонах;

? поляриметрические РСА, обеспечивающие проведение съемки с регистрацией радиолокационного сигнала всех компонент поляризационной матрицы рассеяния;

? двухканальные РСА, реализующие интерферометрические режимы различного типа - для определения рельефа местности (при вертикальном разносе антенн каналов) или измерения параметров движения наземных объектов (при разносе антенн вдоль траектории полёта ЛА).

Созданный в рамках разработки РСА семейства "Компакт" программный комплекс планирования съемки позволяет производить разработку полетного задания на съемку, а также обеспечивает поддержку обучения и тренировки оператора в режиме имитации полета.

К настоящему времени получен положительный опыт эксплуатации РСА семейства "Компакт" на 8 типах самолетов и 4 типах вертолетов.

Результаты экспериментальных исследований, проведённых с помощью РСА "Компакт" неоднократно докладывались на различных отечественных и зарубежных научно-технических конференциях, и освещались в научной литературе [6-19].

Основные характеристики, принципы построения и реализации

Основные тактико-технические характеристики РСА семейства "Компакт" представлены в табл. 1.

Табл. 1 Основные характеристики РСА семейства "Компакт"

Бортовая аппаратура всех РСА построена по единой структуре, представленной на рис. 1 в обобщённом виде.

Ключевой особенностью технического облика бортовой аппаратуры РСА "Компакт" является реализация концепции когерентного цифрового "ядра" радиолокационной системы, осуществляющего функции цифрового формирования широкополосного сигнала, аналого-цифрового преобразования принятого сигнала, а также формирование когерентных последовательностей управляющих стробов. Цифровое "ядро" построено на базе центрального компьютера, сопряжённого со специализированными цифровыми модулями и обеспечивает когерентность всего радиолокационного тракта. Кроме того, "ядро" используется в процессе создания РСА для отработки программного обеспечения и измерения характеристик сигналов (с помощью базового программного комплекса АНАЛИЗ (ANALYZ)), а также для управления аппаратурой в процессе подготовки и проведения радиолокационной съёмки с помощью базового программного комплекса УПРАВЛЕНИЕ (CONTROL).

Схемотехническая реализация и базовое программное обеспечение "ядра" позволяют применять его с минимальными доработками в различных радиолокаторах. Использование устройств управления режимами РСА (переключателями) и уровнем усиления, управляемых сигналами TTL уровня, позволило отказаться от применения специальных дополнительных контроллеров. Формирование направленного зондирующего излучения и приём отражённого сигнала производятся с помощью приёмопередатчика и антенны. В состав бортового комплекса аппаратуры включено навигационное оборудование.

Принятая архитектура построения аппаратуры обусловила и соответствующие организационно-технические особенности проведения разработки. В отличие от предшествующих радиолокационных систем, РСА семейства "Компакт" создавались с максимальной степенью привлечения специализированных сторонних организаций, на которые возлагались функции разработки и поставки отдельных аналоговых и цифровых устройств высокой степени интеграции. Это позволило обеспечить выполнение большого объёма работ в приемлемые сроки при задействовании сравнительно небольшого коллектива квалифицированных специалистов ФГУП НИИТП.

Созданная кооперация обеспечивает разработку и поставку следующих устройств и узлов:

? усилители мощности (УМ);

? приемопередающие модули (ППМ);

? компьютер;

? аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

? цифровой формирователь ЛЧМ сигнала и стробов и несущая плата ADP со специальным программным обеспечением (прошивками ПЛИС);

? крейт цифрового "ядра" в формате Compact PCI;

? крейт приемопередатчика (применяется с мелкими доработками лицевой панели и дополнительными элементами крепления).

К работам, непосредственно выполняемым специалистами ФГУП НИИТП, относятся:

? разработка сквозного когерентного приёмо-передающего тракта РСА;

? разработка технических требований к отдельным устройствам РСА;

? разработка и изготовление антенн;

? разработка и выпуск конструкторской документации на РСА;

? входной контроль покупных устройств и сборка РСА;

? разработка программного обеспечения управления РСА;

? разработка программного обеспечения анализа радиоголограммы;

? разработка программного обеспечения синтеза и тематической обработки радиолокационных изображений;

? стендовые испытания приемопередатчика и РСА в целом;

? разработка программ и методик натурных испытаний;

? натурные испытания и эксплуатация РСА на авиационных носителях Заказчика;

? обработка материалов натурных испытаний и съёмочных полётов в интересах Заказчика.

При минимальных габаритно-массовых характеристиках цифрового ядра контейнер РСА имеет массу ~10 кг.

При варианте цифрового ядра в виде отдельного контейнера в формате Compact PCI общая масса РСА составляет ~13 кг.

Вариант миниатюрного РСА с дальностью действия не более 1 кимеет массу около 5 кг.

Антенны РСА выполняются в различных вариантах:

? волноводно-щелевые решётки (ВЩР) и активные фазированные антенные решётки (АФАР) для Х диапазона;

? полосковые двухполяризационные антенны - для L- и Р- диапазонов;

? антенны логопериодического типа - для VHF-диапазона.

Заметим, что применение АФАР в РСА "Компакт" обеспечивает:

? широкие возможностей электронного управления диаграммой направленности антенны;

? возможность экспериментальной отработки режимов функционирования и ключевых схемотехнических решений, присущих РСА космического базирования.

В последнем случае РСА "Компакт" позволяет осуществить масштабное физическое моделирование технологии радиолокационного зондирования Земли из космоса, так как является, по существу, авиационным прототипом широкополосного РСА космического базирования.

Малогабаритность радиолокационной аппаратуры обеспечиается за счет применения транзисторных усилителей мощности, низковольтных источников питания, электронных устройств высокой степени интеграции, использования стандартных типоразмеров блоков Industrial Standard 19”. Масса каждого из конструктивно обособленных блоков не превышает 10 кг. Общая масса электронных блоков одного радиолокатора не превышает 10ч13 кг. Масса антенн составляет от 1 до 3,5 кг.