Мультистатическая радиоголография и MIMO радиолокация (обзор отечественных и зарубежных исследований) презентация

Краткая история исследований радиоголографических РЛС

Принцип формирования мультистатической радиоголограммы
Часть 1. МУЛЬТИСТАТИЧЕСКАЯ РАДИОГОЛОГРАФИЯ [1,2]

Математическая модель излучаемого сигнала
со ступенчатой частотно модуляцией (СЧМ):
Описание отражения от многоточечного объекта:
Опорная функция и алгоритм фокусировки радиоизображения (РИ):
- опорная точка РИ.

ОФН МРГ - РИ точечного объекта

Пример конфигураций разреженной АС и одночастотной МРГ многоточечного креста:
Алгоритмы фокусировки МРГ

Модели наблюдения многоточечных объектов,
приятые при расчетах сфокусированных РИ

РИ плоского крестообразного объекта на удалении 1,5 м при частотах 6 ГГц (а, в)
и 18 ГГц (б, г) в картинной плоскости (а, б) и вертикальной плоскости (в, г),
проходящей через нормаль к плоскости АС в ее центре.

2. Влияние дальности до объекта на качество фокусировки РИ
(«глубина резкости»)
РИ плоского крестообразного объекта при увеличении удаления от АС (1м, 2м и 3м)
в случае одночастотной МРГ на частоте 15 ГГц. Верхний ряд - РИ в картинной плоскости,
нижний ряд - РИ в вертикальной плоскости, проходящей через нормаль к плоскости АС в ее центре.

3. Моделирование РИ трехмерного объекта
при фокусировке одночастотных и многочастотных МРГ

Сравнение радиоизображений для МРГ и КРГ
Условия сравнения:
1. Объект - плоский крест на расстоянии 1.5 м по нормали к центру решетки.
2. АС при регистрации МРГ – разреженная приемо-передающая АР
размером 2,3м×2,3м с числом элементов (9×9) + (9×9)= 162.
3. При регистрации КРГ рассматривалась АС с одиночным передающим элементом при трех вариантах приемной АР размером 2,3м×2,3м:
разреженная АР, 2,3м×2,3м, число элементов (9×9)=81;
разреженная АР, 2,3м×2,3м, число элементов (33×33)=1089;
разреженная АР, 2,3м×2,3м, число элементов (65×65)=4225;

Вид приемных АР и соответствующие им РИ, полученные по КРГ на частоте 12 ГГц.
приемная АР: 81 эл.- (а); 1089 эл. - (б); 4225 эл.- (в).

ОДНО- и МНОГОЧАСТОТНАЯ МРГ НА ОСНОВЕ СКАНИРУЮЩЕЙ ЛИНЕЙНОЙ АР [2]

Сравнительный анализ РИ пистолета
на фоне манекена при КРГ и МРГ [3]
РИ, полученное в результате
обработки КРГ на частоте 14,4 ГГц
в лабораторном эксперименте
с манекеном
Манекен, используемый в лабораторном эксперименте.
Экспериментальные предпосылки, полученные при методе КРГ в лаборатории
дистанционного зондирования МГТУ:

Область и параметры сканирования линейных АР
при математическом моделировании методов КРГ и МРГ

Комплексный корреляционный интеграл одночастотной МРГ:
1. Фокусировка РИ методом суммы обратных проекций
Сравнение быстродействия алгоритмов обратных проекций
и не эквидистантного БПФ (НБПФ) [4]
2. Фокусировка РИ по МРГ в приближении Френеля на основе
не эквидистантного БПФ

Метод фокусировки основан на быстром вычисления НДПФ*, основанном на быстрой гауссовой привязке не эквидистантных узлов (fast Gaussian gridding).
Реализация алгоритма в среде MatLab представлена по адресу: http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/25135-nufft--nfft--usfft .
* Leslie Greengard, Jun-Yub Lee. Accelerating the Nonuniform Fast Fourier Transform. SIAM Review. Vol. 46. No.3, pp.443-453.
Параметры численного эксперимента
Частота излучения, 6 ГГц
Число элементов АР, 9х9
Размер передающей АР, 2x2м
Межэлементный шаг передатчиков, 0,25м
Размер приёмной АР, 2,3х2,3 м
Межэлементный шаг приёмников, 0,288х0,288м
Объект:
Многоточечный симметричный плоский объект в форме
прямоугольного креста
Размеры объекта 0,3х0,3м
Число отражающий элементов 9
Шаг между элементами 0,075м
Удаление от АР 3м

Гипотеза о возможности применения классического
эквидистантного БПФ к фокусировке РИ по МРГ
при определенных видах АР
Передающая и приемная эквидистантные АР
со специально подобранными
положением и шагом.
Решетка виртуальных эквидистантных узлов,
позволяющая применение классического БПФ
при фокусировке МРГ.

Примеры практической реализации ПМ РЛС типа MIMO.
Многочастотная ПМ РЛС
(проект RIAS – “Radar a Impulsion et Antenne Synthetiques” - Франция)
Фото экспериментального макета РЛС типа RIAS, созданного во Франции (1989г)
и расположенного на острове Левант в Средиземном море.
Часть 2. ПРОСТРАНСТВЕННО-МНОГОКАНАЛЬНЫЕ РЛС (ПМ РЛС) MIMO [5-11]

Демонстрационный образец РЛС “RIAS” под Руаном, на северо-западе от Парижа

1. К пояснению принципа действия РЛС типа RIAS –
синтез импульса и апертуры.

2. Укрупненная структурная схема системы
цифровой обработки сигналов РЛС RIAS

3. Бистатический принцип реализации РЛС “RIAS”

4. Метод сопряжения фазы,
как дальнейшее развитие системы «RIAS» (Патент ONERA).
4.1. Функциональная схема,
поясняющая принцип сопряжения фазы.
4.2. Моделирование фокусировки диаграммы
по методу сопряжения фазы в процессе
сопровождения цели.

Фотография антенной системы РЛС RIAS,
построенной в Китае
Экспериментальный макет РЛС типа RIAS,
созданный в КНР

Пример сопоставления трасс воздушных объектов,
построенных традиционной РЛС С-диапазона (а)
и трасс тех же целей, построенных в РЛС типа RIAS (б).

Загоризонтная РЛС «NOSTRADAMUS» (Франция)
декаметрового диапазона волн
Расположение антенных элементов
РЛС «NOSTRDAMUS» на местности.
Красные антенны – приемопередающие,
зеленые – только приемные.
Вид биконических антенн РЛС «NOSTRADAMUS»,
расположенной в 100км на запад от Парижа.

Французкий бистатический радиолокатор по проекту GRAVES
для определения и катологизации орбит ИСЗ
Вид сигнала: непрерывный немодулированный сигнал с частотной 143 МГц
Измеряемые параметры : азимут и частота Доплера.
Принцип обзора узкого сектора в РЛС GRAVES

Измерение параметров орбиты КА в РЛС GRAVES

Передающая позиция и ее модуль с ФАР в составе РЛС GRAVES

Приемная АР РЛС GRAVES

Закон изменения частоты Доплера принимаемого сигнала
при отражении от КА и анализ его корреляции с опорой

Вычисление орбитальных параметров ИСЗ
по азимутальным и доплеровским измерениям

Уравнения дальности обнаружения MIMO РЛС
с многочастотными сигналами
ММЧС-НИ
ММЧС-КНИ

Примерные параметры СШП MIMO РЛС
с моноимпульсным многочастотным сигналом (ММЧС)
Диапазон частот: 250 - 1250 МГц
Диаметр кольцевой антенной системы: 400м
Число передающих антенных элементов: 128
Число приемных антенных элементов: 128
Сектор наблюдения по азимуту: 45грx8=360 гр. (QBH)
Сектор наблюдения по углу места: 0-45 гр.
Разрешение по азимуту (ширина луча): 3.6 угл. мин
Разрешение по дальности: 15 см
Общее количество частот ММЧС: 1024
Количество частот, излучаемых одним передающим элементом: 8
Шаг сетки частот 977,5 кГц
Ширина полосы частот одного передающего элемента: 7,8 МГц
В режиме КНИ с ВЧП длительность импульса ММЧС 1,0 мкс
и соответствующий импульсный объем 150м
Частота повторения импульсов в режиме КНИ с ВЧП 67 кГц
Время когерентного накопления 5с
Средняя мощность передатчика одной передающей антенны 6.4 кВт
Средняя мощность всех передатчиков 820 кВт
Коэффициенты усиления передающих и приемных
антенных элементов 12.9 дБ с переключением по методу QBH
Дальность обнаружения цели с ЭПР 1м2: 1500 км

Сравнение MIMO РЛС ККП по дальности
обнаружения цели в различных диапазонах волн
при одинаковых средней мощности передатчиков,
разрешающей способности и угловой зоне обзора

Радиолокационная станция обзора летного поля [12,13]
Р Л С О Л П

Исходные данные для анализа вариантов построения
РЛС ОЛП на основе MIMO локации
Рабочая частота 15 ГГц
Полоса частот 15 МГц
Количество частотных компонент, M = 512
Шаг по частоте, Δf = 29.354 кГц
Количество передающих
элементов АР, Nt = 32
Количество приемных
элементов АР, Nr = 29
Период обновления информации T0 = 1 секунда
Максимальная дальность Rmax = 5000 м
ЭПР цели σц = 1 м2
Пороговое отношение сигнал/шум q∑ = 13 дБ

Кольцевая антенная система с пространственной развязкой многоэлементных передающего и приемного колец

Укрупненная структурная схема РЛС ОЛП с последовательным излучением частотных компонент многочастотного непрерывного ЗС и одноканальными передатчиком и приемником

Характеристики и параметры технического облика РЛС ОЛП, построенной на основе принципов MIMO радиолокации с непрерывным последовательным излучением частотных компонент многочастотного сигнала
сектор обзора по азимуту =360˚;
период обновления информации по целям 1.0с;
разрешающая способность по дальности 10м;
полосы частот сигнала =15МГц при общем числе излучаемых частот 512 и равномерном шаге частотной расстройки 29.296 КГц;
максимальная дальность действия =5000м по целям с ЭПР 1.0 м2 при пороговом отношении сигнал/шум 13 дБ;
передающее устройство: одноканальный передатчик или распределенное передающее устройство с последовательным включением передающих элементов антенной системы с помощью СВЧ переключателей; подводимая к передающему элементу средняя и пиковая мощности соответственно 23.9 Вт и 764.2 Вт; средняя мощность всей передающей системы 764.2 Вт
разрешающая способность по поперечной дальности 15м на дальности 2000м, что отвечает разрешению по азимуту 0.43˚;
среднеквадратичная погрешность измерения по дальности 10м;
среднеквадратичная погрешность измерения по азимуту 0.25˚;
средняя частота излучения =15 ГГц;
вид излучения сигнала: последовательное излучение частот последовательными элементами передающей антенной системы – пространственно-временная ступенчатая частотная модуляция;
приемное устройство: одноканальный приемник с последовательным подключением приемных элементов антенной системы с помощью СВЧ переключателей; полоса пропускания приемного устройства 440 кГц, динамический диапазон не менее 70 дБ при факторе шума 4.0

Пример моделирования системы обработки РЛС ОЛП [13 ].

РАДИОЛОКАТОР МАЛОЙ ДАЛЬНОСТИ С MIMO АНТЕННОЙ СИСТЕМОЙ И МНОГОЧАСТОТНЫМ ЗОНДИРУЮЩИМ СИГНАЛОМ [14]
Макет двухкоординатной MIMO РЛС малой дальности с СЧМ ЗС в полосе от 1450 МГц до 1750 МГц. Использовалось 16 частот с равномерным шагом по частоте.

Принцип создания пространственно распределенной MIMO РЛ системы
с узконаправленными управляемыми ФАР [15].

МЕТОДЫ ПВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
В МНОГОЧАСТОТНЫХ ПМ РЛС ТИПА MIMO [16,17]

Спектры принимаемого и опорного сигналов:
1. Спектральный метод ПВ обработки

Спектры в первом однозначном интервале
доплеровских частот для крайних частотных компонент.
Спектры на частотном интервале удвоенной ширины полосы всех частотных компонент
в виде левой (а) и правой (б) ветвей относительно средней частоты.

Алгоритм пространственно-спектральной обработки:

2-й Этап. Пространственная фокусировка с цифровым определением
Угловых координат и определением дальности p-ой цели

2. Обобщенный корреляционный алгоритм ПВ обработки
Поэтапная детализация ПВ обработки в фиксированных стробах:

Общая часть структурной схемы системы обработки
Преобразование, разделение, стробирование и внутриимпульсное накопление частотных компонент в приемных каналах ПМ РЛС

ПВ обработка с некогерентным накоплением спектров
Заключительная часть блок-схемы ПВО при некогерентном накоплении доплеровских спектров

Два варианта ПВО при полностью когерентном накоплении
Блок-схема заключительной части ПВО при фазировании и когерентном объединении
комплексных доплеровских спектров с учетом фазирования в угломерных и дальностных каналах
Первый вариант:

Второй вариант:
Блок-схема заключительного этапа когерентной ПВО
с приоритетом фазирования временных отсчетов пачки

Результаты проверки на модели алгоритма ПВО
с некогерентным накоплением спектров
Были приняты унифицированные с [1] характеристики ПМ РЛС:

Цитированные работы
1. Чапурский В.В. Получение радиоголографичских изображений объектов на основе разреженных антенных решеток типа MIMO с одночастотным и многочастотным излучением. Вып. 4(85). 2011г. С. 72-91.
2. Чапурский В.В. Синтезирование радиоизображений объектов с помощью линейной антенной решетки типа MIMO. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Приборостроение». Спец. выпуск. №7. Радиооптические технологии в приборостроении. 2012г. С.115-123.
3. Разевиг В.В., Бугаев А.С., Чапурский В.В. Сравнительный анализ фокусировки классических и мультистатических радиоголограмм. Радиотехника, № 8, 2013г., с. 8- 17.
4. Крайний В.И., Семенов А.Н., Чапурский В.В. Фокусировка одночастотных мультистатических радиоголограмм методом не эквидистантного быстрого преобразования Фурье. VIII Всероссийская НТК «Радиолокация и радиосвязь». Доклады. М., 24-26 ноября 2014г. С. 77-81.
5. J. Dorey, G. Garnier et G. Auvray, “RIAS, radar a impulsion et antenne syntetique”, Colloque International sur le Radar. Paris, april, 1989, pp.556-562.
6. Кучеров Ю.С., Чапурский В.В. Антенные решетки со сверхбыстрым сканированием луча. Радиотехника и электроника. 1994, с. 1562- 1569
7. M. Lesturgie, J. P. Eglizeaud, G. Auffray, D. Muller, B. Oliver, C. Delhote. The last decades and the future of low frequency radar concepts in France. International Conference on Radar Systems- RADAR 2004, 18 - 22 October 2004 - Toulouse, France.
8. Chen Baixiao, Zhang Shouhong, Wang Yajun, Wang Jun, “Analysis and Experimental Results on Sparse-array Synthetic Impulse and aperture Radar”, Proceedings of International Radar Conference , Beijing, China, October 2001, pp. 76-80.
9. Вовшин Б.М. Сверхширокополосные радиолокационные системы. Новый подход к принципам построения. Труды Юбилейной НТК, посвященной 30-летию образования ЦНИИРЭС, 12-14 сентября 2001г., часть 1, Москва 2001, с.139-149.
10. Слукин Г.П., Чапурский В.В. Пространственно многоканальные РЛС большой дальности с высокой разрешающей способностью. Радиотехника. Вып. 11, 2013. С. 24-34.
11. Вовшин Б.М., Свердлов Б.Г. Теоретические и экспериментальные исследования сверхширокополосных радиолокационных систем с ортогональными зондирующими сигналами. Труды 1-го международного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития», МРФ-2002, 8 - 10 октября 2002. Харьков. С. 62 - 64.
12. Свердлов Б. Г., Чапурский В.В. Развитие методов и технологии MIMO радиолокации для обнаружения малозаметных и малоподвижных объектов. Результаты ориентированных фундаментальных исследований и их использование в развитии Российской радиоэлектроники. Труды IV конференции РФФИ. КНИИТМУ, Калуга, 2009. С.155-169.
13. В.В. Чапурский. Обработка сигналов в многочастотных радиолокационных системах с антеннами из пространственно распределенных передающих и приемных элементов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Приборостроение». Вып. 3(72), 2008г. С.69-79.
14. Chapursky V.V., Ivashov S.I., Vasiliev I.A., Zhuravlev A.V. Short Range Radar with MIMO Antenna System and Multifrequency Sounding Signal. Progress in Electromagnetics Research Symposium, PIERS-2009, Moscow, Russia, August 18-21.- 2009.

15. Крючков И. В., Нефедов С.И., Нониашвили М.И., Чапурский В.В. Обобщенные функции неопределенности пространственно многоканальных РЛС с узконаправленными диаграммами направленности передающих и приемных элементов. Радиотехника,
№ 11, 2013г., с. 14- 23.
16. Лоскутов В.Ю., Слукин Г.П., Чапурский В.В. Спектральный метод обработки сигналов в пространственно многоканальных РЛС. Радиотехника, № 11, 2013г., с. 39- 49.
17. Крючков И. В., Чапурский В.В. Структура систем корреляционной пространственно-временной обработки сигналов в многочастотных пространственно-многоканальных РЛС. Успехи современной радиоэлектроники. Вып.7, 2014. С. 3 - 13.
Дополнительная литература по теме
18. Rabideau D.J, Parker P.A. Ubiquitous MIMO Multifunction Digital Array Radar and the Role of Time-Energy Management in Radar. Project Report DAR-4. Lincoln Laboratory Massachusetts Institute of Technology, 2004.
19. Черняк В.С. О новых и старых идеях в радиолокации: MIMO РЛС. Успехи современной радиоэлектроники. Вып.2, 2011.
С. 5-20.
20. Черняк В.С. Обнаружение сигналов в MIMO РЛС. Успехи современной радиоэлектроники. Вып.7, 2014. С. 35 - 49.
21. Черняк В.С. Многопозиционная радиолокация. М.: Радио и связь. 1993.
22. Чапурский В.В. Избранные задачи теории сверхширокополосных радиолокационных систем. Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана. М., 2012.
23. Вовшин Б.М. Сверхширокополосная радиолокация воздушных объектов с безынерционным обзором пространства. Докторская диссертация. ЗАО «радиоэлектронных систем». М., 2005г.

1. Использование принципов MIMO в радиоголографии приводит к новой ее разновидности, которую можно охарактеризовать как мультистатическую радиоголографию (МРГ).
2. Применение МРГ оказалось эффективным в связи с возможностью использования разреженных АР с уменьшением, примерно на порядок - для линейных сканирующих АР и на два порядка - для двумерных АР, числа элементов по сравнению с классической радиоголографией (КРГ) при сохранении качества фокусировки радиоизображений (РИ).
3. На основе результатов моделирования при наблюдении сложных многоточечных плоских и пространственных объектов показано, что метод одночастотных МРГ позволяет получить удовлетворительное качество РИ не только в мм диапазоне волн, но и в см диапазоне, несмотря на сугубо разреженный характер и малое число элементов АР. Дальнейшее улучшение качества РИ, в особенности трехмерных, достигается в многочастотном варианте МРГ.
4. Резкое снижение числа элементов в методе МРГ по сравнению с КРГ при одинаковом качестве РИ в принципе снимает остроту проблемы реализации электронного обзора (без механического сканирования), сопряженную с нереализуемо большим числом элементов в неподвижных АР при методе КРГ.
5. Известным вариантом фокусировки РИ в МРГ является метод обратных проекций, требующий, особенно в многочастотном случае, значительных вычислительных затрат. Перспективным в плане уменьшения времени вычислений в системам с МРГ является метод не эквидистантного БПФ (НБПФ). На конкретном примере одночастотной МРГ и приемо-передающей АР с числом элементов 81+81 установлено сокращение времени фокусировки методом НБПФ более чем на два порядка по сравнению с методом обратных проекций.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

6. Дан обзор существующих разработок в области ПМ РЛС типа MIMO и некоторых МП РЛС.
Рассмотрены некоторые особенности РЛ систем RIAS, Nosterdamus и Graves. Представлены также предварительные проектные данные по РЛС обзора летного поля на принципах MIMO и возможный принцип построения пространственно распределенной MIMO РЛ системы с узконаправленными управляемыми ФАР.
7. Приведен пример сравнения дальности обнаружения для MIMO РЛС типа RIAS в разных диапазонах волн при одинаковых ЭОП цели, средней мощности, разрешающей способности и угловой зоне обзора. Установлено, что СШП MIMO РЛС с многочастотным сигналом в диапазоне от 0,25 ГГц до 1,25 ГГц имеет дальность обнаружения 1500км, а MIMO РЛС в диапазонах 3 ГГЦ и 10 ГГц уступают ей в дальности соответственно ~2 раза и ~3,6 раза.
8. Рассмотрены методы пространственно-спектральной и пространственно-временной обработки сигналов, в последнем варианте – с предварительным стробированием принятых многочастотных импульсов пачки по задержке на выходах приемных каналов АС в MIMO РЛС.
9. Представлены три варианта систем обработки: 1) с приоритетом полной спектральной обработки, некогерентным накоплением доплеровских спектров при известных потерях и последующей фокусировкой по пространственным координатам; для случая стробирования импульсов пачки получены 2) алгоритм на основе приоритета доплеровской обработки в стробах с когерентным накоплением спектров при многоканальном фазировании по углам и
Дальности; 3) на основе приоритета временной обработки с фазированием комплексных амплитуд каналов по углам и дальности с последующей доплеровской обработкой. Моделирование варианта 1 подтвердило работоспособность данного алгоритма.
10. Для всех представленных вариантов обработки целесообразна разработка и применение алгоритмов на основе НБПФ по пространственным координатам и, возможно по времени.

Сравнение принципов МРГ и ПМ РЛС типа MIMO
Особенности систем МРГ.
Использование зондирующих сигналов с ортогональностью по времени или по частоте: ВИС, КИС, СЧМ.
Цифровая обработка методом обратных проекций или не эквидистантного БПФ (НБПФ) в случае неподвижных объектов .
Возможность цифровой фокусировки радиоизображений с задержкой по времени.
Применение неподвижных и механически сканирующих разреженных приемо-передающих АР с неуправляемыми слабо направленными элементами .
Особенности ПМ РЛС типа MIMO.
Применение неподвижных сканирующих разреженных приемо-передающих АР
с неуправляемыми слабо направленными элементами.
Принципиален учет скорости и наличия частоты Доплера целей.
Для увеличения потенциала возможно применение направленных электронно управляемых ДНА элементов (или позиций отдельных РЛС в варианте MIMO РЛС
с узконаправленными АС типа ФАР).
Цифровая обработка методом обратных проекций или не эквидистантного БПФ (НБПФ) на основе спектральных или корреляционных алгоритмов.
Возможность цифрового обзора пространства, требующая вычислений в РМВ
с применением НБПФ.
Применение неподвижных приемо-передающих АР с неуправляемыми слабо направленными элементами или электронно-управляемых ФАР в варианте MIMO РЛС
с узконаправленными АС.
Необходимость разработки методов подавления дифракционных побочных лепестков в пределах эквивалентного пространственного луча в варианте MIMO РЛС
с узконаправленными АС.