УДК 623.4.01

Направления разработки радиолокационной станции для обнаружения малых целей

Сьедин Дмитрий Борисович – кандидат военных наук, ассоциированный профессор (доцент), заместитель начальника факультета Пограничной академии КНБ Республики Казахстан.

Салий Сергей Михайлович – кандидат военных наук, ассоциированный профессор (доцент), начальник научного управления Пограничной академии КНБ Республики Казахстан.

Рахметжанов Ардак Айтказыевич – магистр экономических наук, старший научный сотрудник научного управления Пограничной академии КНБ Республики Казахстан.

Мухатай Аспет Бакытжанович – магистр военного дела и безопасности, заместитель начальника научного управления Пограничной академии КНБ Республики Казахстан.

Аннотация: Статья раскрывает одно из направлений совершенствования охраны Государственной границы путем разработки радиолокационной станции способной обнаруживать суда нарушителей, в условиях интенсивных помех от местных предметов и волн.

Ключевые слова: радиолокационная станция, сигнал, помеха, эффективная поверхность рассеивания, вероятность обнаружения, цель, нарушитель границы, судно.

Данная статья подготовлена в рамках исследования финансируемого Комитетом науки Министерства образования и науки Республики Казахстан (Грант № BR109009-0221).

Введение. Необходимость поиска и разработки практических рекомендаций по созданию образца радиолокационной станции, способной эффективно обнаруживать малые цели, в настоящее время является важной задачей. В качестве целей выступают суда нарушители, занимающиеся браконьерским ловом рыб осетровых пород в акватории Каспийского моря. Решение данной задачи возможно путем изучения опыта ведущих стран мира и формировании на основе анализа проекта радиолокационной станции способной, вести наблюдение с высокой вероятностью обнаружения сверхмалых и малых целей в морской акватории.

Постановка проблемы. Существующие в настоящее время подходы по обустройству Государственной границы техническими средствами охраны не позволяют в полном объеме реализовать тактико-технические характеристики радиолокационных станций, заложенные производителями. Первой причиной является недостаточное финансирование для принятия на вооружение современных модернизированных средств обнаружения. Вторая причина изменение тактики действий нарушителей границы, с использованием ухищрений и других способов, снижающих вероятность их обнаружения, физически и морально устаревшими техническими средствами охраны границы.

Анализ последних исследований и публикаций. Некоторые вопросы комплексного и комбинированного применения в охране Государственной границы различных по физическим принципам средств обнаружения рассматривались в исследованиях отечественных ученых С. Имашева, К. Тютенова, Э. Климова, С. Салий, Т. Садвакасова. Общие вопросы применения радиолокационных средств для обнаружения надводных целей рассматриваются в трудах ученых ближнего зарубежбя: В. Дмитриева, В. Первунского, А. Прыщак, С. Мосова, И. Катеринчука, Н. Лавровского, Н. Тура, Д. Кириенковой, С. Прокофьева, В. Фролова и др. Достаточно подробно вопросы применения радиолокационных станций в различных условиях рассматриваются американскими учеными М. Догерти, М.Скольник, Д.Кроней, а также британскими исследователями П.Тарновски, С.Ширстон. Однако данные исследования являются профессиональным ландшафтом для определения наиболее эффективных путей разработки радиолокационной станции способной обнаруживать суда нарушителей, в условиях интенсивных помех от местных предметов и волн.

Цель статьи. Поиск оптимального варианта построения радиолокационной станции для обнаружения малых целей в условиях пассивных помех от береговой растительности и волнений моря.

Методы исследования. В ходе рассмотрения существующей проблемы были использованы следующие методы исследования: системный анализ, военное наблюдение, сравнение и обобщение, переход от абстрактного к конкретному.

Изложение основного материала. В настоящее время не существует какого-либо универсального средства наблюдения, способного обнаруживать все классы объектов во всем многообразии условий внешней среды. Исходя из этого, система наблюдения, на сухопутном или морском участке границы будет эффективна только при комплексном применении различных по физическим принципам обнаружения технических средств охраны границы. На сегодняшний день ведущим элементом системы наблюдения являются радиолокационные станции. Именно им принадлежит ведущая роль в обеспечении круглосуточного наблюдения за охраняемым участком, при ограничении визуальной видимости другими техническими средствами, в результате воздействия природных и техногенных факторов внешней среды.

Конкретизируем одну из приоритетных характеристик объектов, позволяющую радиолокационной станции обнаружить и вести сопровождение цели на фоне местных предметов. Основной характеристикой объектов наблюдения с точки зрения их радиолокационного обнаружения является отражательная способность, которая зависит от длины волны радиолокационной станции, конфигурации, размеров и материала объекта, а также его ракурса. В совокупности все эти факторы учитываются через специальную расчетную величину – эффективную поверхность рассеяния целей. Определение этого показателя дается в [1]. Эффективная поверхность рассеивания реальных объектов является случайной величиной, поэтому на практике используют среднюю эффективную поверхность рассеяния целей, получаемую расчетным или экспериментальным путем для множества однотипных объектов (целей).

В радиолокационных средствах наблюдения индикация целей носит весьма условный характер – отметка на экране индикатора имеет вид точки, черточки, пятна и т.п. Величина и вид этой отметки зависят от величины эффективной поверхности рассеивания цели и, следовательно, распознавание объектов производится по той информации, которая заложена в радиолокационной отметке цели. Это требует достаточно, однозначного соответствия между величиной эффективной поверхности рассеивания и классом (типом) цели. Только на основе анализа первичных признаков цели – размеров и формы отметки её на экране и вторичных признаков – района и дальности обнаружения, характера маневрирования и скорости цели можно правильно идентифицировать объект и принять рациональное решение, о действиях по нему. Следовательно, в радиолокации, как нигде важна четкая классификация объектов наблюдения. Особым многообразием отличаются надводные цели – их количество исчисляется многими сотнями. Поэтому при классификации все это многообразие целей объединяют в несколько классов, каждый из которых содержит ряд типовых объектов, имеющих много общего.

Эффективная поверхность рассеивания надводных целей существенно зависит от ракурса объекта, что сказывается на дальности его обнаружения. Поскольку размер отметки от цели на экране индикатора радиолокационной станции зависит от эффективной поверхности рассеивания цели и расстояния до нее, то это дает возможность оператору радиолокационной станции при равенстве на экране отметок от нескольких целей судить об их классе. На основании статистических данных по наблюдению малоразмерных целей в территориальных водах казахстанской части Каспия нарушители изучили тактику действий воинских формирований Пограничной службы КНБ Республики Казахстан по их задержанию. На основании своих наблюдений нарушители активно применяют различные ухищрения для безнаказанного ухода в нейтральные воды. В таблице 1 приведены значения эффективной поверхности рассеивания (далее - ЭПР) некоторых важных надводных целей.

Таблица 1. ЭПР некоторых надводных целей, м2.

Тип цели

ЭПР

Тип цели

ЭПР

Танкер

Судно 10000 т

Судно 100 т

Лодка

22000

170000

150

10

Крейсер

Судно 1000 т

ПЛ

Пловец

140000

7000

70

002

Также как и другие объекты наблюдения, радиолокационные цели обнаруживаются техническими средствами наблюдения при наличии радиолокационного контраста, который определяется различием отражающих свойств объекта и фона (поверхности земли или воды). Снижение радиолокационного контраста является одной из задач радиолокационной маскировки. Браконьеры используют специальные конструкции лодок - байд, имеющих обтекаемую поверхность, которая существенно снижает эффективную поверхность рассеивания, а следовательно и вероятность их обнаружения в условиях плотных зарослей камыша в прибрежной зоне северного Каспия.

При развертывании с 2002 года, автоматизированной радиолокационной системы контроля акватории Каспийского моря, основной задачей которой было прикрытие сплошным радиолокационным наблюдением территориальных вод Республики Казахстан по большим и средним целям [2]. Эта задача была выполнена путем поэтапного выставления постов технического наблюдения, где основными средствами наблюдения и обнаружения целей, являлись навигационные радиолокационные станции сопровождения судов «Наяда-25», далее на принимались на вооружение станции «Иртыш-3С», «Атлантика-КХ». Разработчиком всех этих станций являются производственные предприятия Российской Федерации. Изменения тактики лова рыб осетровых и частиковых пород браконьерами Азербайджана, Дагестана (Россия) путем отказа от промысловых торговых судов (средние цели), на использование быстроходных лодок – байд (малые цели), привело к тому, что их обнаружение стоящими на вооружении постов технического наблюдения радиолокационными станциями стало малоэффективно. Проведение натурных испытаний новых радиолокационных станций «Рапан» и «Нева-Б», показало улучшение ряда критериев по вероятности обнаружения, надежности, ремонтно-пригодности станций. Однако как указывалось выше, задача по обнаружению малых целей – байд, в том числе и браконьеров Республики Казахстан, имеющимся парком радиолокационных станций до настоящего времени не решена.

Рассмотрим другой вариант решения существующей в настоящее время проблемы. Отдельное средство обнаружения в нашем случае радиолокационная станция может решать задачу обнаружения человека-нарушителя или признаков его деятельности, как на сухопутном участке, так и на морском участке. Как правило, нарушители на сухопутном участке используют автотранспорт повышенной проходимости, а на море, реках и озерах применяются суда разного класса водоизмещения и с различной ЭПР.

Одним из путей решения сложившейся ситуации может стать разработка опытного образца радиолокационной станции на базе казахстанского ТОО «Специальное конструкторско-технологическое бюро «Гранит», которое ведет многолетнюю работу по модернизации парка радиолокационных станций, стоящих на вооружении Сил воздушной обороны Министерства Обороны Республики Казахстан.

В рамках проводимых совместных научных исследований Пограничной академией КНБ РК и ТОО «Специальное конструкторско-технологическое бюро «Гранит» в 2020 году был получен патент Республики Казахстан на изобретение № 34521 «Радиолокатор с непрерывным излучением» [3].

До начала разработки модели, инженеры «Гранита» изучили опыт создания радиолокационных станций импульсного излучения «Кредо», «Подъем», «Гарпун», которые длительное время использовались в охране границы как на сухопутных, так и на морских участках границы. С учетом изменения тактики действий нарушителей, данные станции по своим тактико-техническим характеристикам перестали отвечать заданным требованиям по вероятности обнаружения и сопровождения целей. Это послужило основанием для снятия их с вооружения.

В ходе работы был изучен опыт создания российскими конструкторами устройства формирования когерентного частотно-модулированного сигнала для радиолокационной станции с периодической частотной модуляцией (патент РФ №2347235, кл. G01S 13/00, 2008). Одним из недостатков данного устройства является ограничение времени когерентного накопления сигнала, попадающего в главный лепесток диаграммы направленности из-за постоянного вращения антенны.

В процессе исследования был изучен опыт британских инженеров, в частности для снижения уровня шумов и понижения уровня излучаемой мощности, ими были разработаны радиолокаторы непрерывного излучения с частотной модуляцией [4]. Эти локаторы имеют сдвоенную антенну (передающую и приёмную), а сигнал передатчика, через направленный ответвитель, поступает на смеситель приёмника в качестве гетеродина. Когда отражённый от цели сигнал приходит на приёмную антенну, то частота передаваемого сигнала (гетеродина) уже изменилась и на выходе приёмного устройства появится сигнал разностной частоты, соответствующей дальности до цели. Чем дальше цель, тем больше эта разностная частота. Это позволяет производить когерентное накопление сигнала за весь период сканирования, так как отражённый разностный сигнал будет поступать в течение почти всего периода сканирования, что улучшает соотношение сигнал/шум во столько раз, во сколько раз период сканирования по частоте превышает длительность импульсного сигнала импульсного локатора. Длительность сканирования по частоте, как правило, соответствует периоду зондирования импульсных локаторов аналогичного назначения. Таким образом, время когерентного накопления сигнала от цели ограничивается временем нахождения цели в главном максимуме диаграммы направленности.

Интересным оказался опыт 60-90-х годов 20 века, накопленный российскими разработчиками по созданию радиолокационных станций метровых и дециметровых волн. В этих разработках одним из способов повышения соотношения сигнал/шум при обнаружении малоразмерных целей является выбор частоты зондирующего сигнала таким образом, чтобы его длина волны была приблизительно равной геометрическим размерам обнаруживаемой цели. Такие условия создаются в диапазоне метровых - дециметровых волн и радиолокаторы этого диапазона (VHF-UHF) могут обнаруживать малоразмерные цели и цели, выполненные по технологии «стелс». Им не препятствует растительность, а также они менее подвержены помехам от волн при локации морских целей. К таким локаторам относятся радиолокационные станции (РЛС) типа «Резонанс», «Ниобий», «Небо-СВ», П-18 и другие. К недостаткам таких локаторов относятся относительно большие габариты антенных систем и ограничения по времени накопления сигнала, связанное с малым временем нахождения цели в луче радиолокатора при сканировании им пространства.

Также в ходе исследования установлено, что наиболее близким аналогом радиолокатора, реализующего принцип обнаружения целей при использовании непрерывного сигнала с частотной модуляцией, является радиолокатор SAKER [5]. Радиолокатор работает в Х-диапазоне частот (10 ГГц) и обладает хорошими тактико-техническими характеристиками на открытой местности и местности с малым уровнем растительного покрова. Однако, при обнаружении надводных целей даже при небольшом уровне волнения или в заросших тростником водоёмах он не способен обнаруживать малоразмерные суда из-за большого уровня мешающих отражений от волн и/или растительности. Необходимость сканирования лучом радиолокатора в секторе контролируемого пространства ограничивает количество отражённой от цели энергии временем, в течение которого луч локатора направлен на цель.

При разработке модели радиолокационной станции конструкторами «Гранита» совместно с представителями Пограничной академии КНБ РК была сформулирован задача изобретения по увеличению соотношения сигнал/помеха на выходе радиолокационного устройства. В результате работы был получен технический результат, который состоит в создании модели радиолокационной станции, реализующей принцип обнаружения целей при использовании непрерывного сигнала с частотной модуляцией, обладающей увеличенным соотношением сигнал/помеха на выходе радиолокационного устройства.

Для достижения указанного технического результата первая приёмная антенна и вторая приёмная антенна дополнительного приёмного тракта должны быть неподвижными и расположены слева и справа от также неподвижной передающей антенны, а диаграмма направленности по азимуту передающей антенны должна быть равна или больше сектора сканирования.

В этом случае цель будет облучаться постоянно, так как она будет находиться в главном луче диаграммы направленности и можно осуществлять длительное накопление отражённого сигнала. Другим преимуществом будет являться отсутствие необходимости управлять лучом антенн, так как информация об азимуте цели может быть рассчитана по разнице фаз сигналов, принятых разнесёнными в пространстве приёмными антеннами.

Полученная в процессе разработки модель радиолокационной станции с непрерывным излучением, отличается от ранее рассмотренных радиолокаторов, тем, что азимут цели может быть вычислен по формуле (1):

1,          (1)

где α – угол направления на цель;

Δφ – разность фаз сигналов, принятых первой и второй приемными антеннами;

L – расстояние между антеннами первой и второй приемными антеннами.

Таким образом, практическая реализация технического решения определенного патентом Республики Казахстан на изобретение № 34521 «Радиолокатор непрерывного излучения» позволит создать эффективное отечественное техническое средство, способное с гарантированной точностью обнаруживать нарушителей Государственной границы на Каспийском море.

Выводы. Сравнительный анализ показал, что техническое решение определенное патентом на изобретение «Радиолокатор с непрерывным излучением» отличается от известных радиолокационных станций аналогичного класса следующими преимуществами:

  • отсутствие необходимости управлять лучом антенн, так как информация об азимуте цели может быть рассчитана по разнице фаз сигналов, принятых разнесенными в пространстве приемными антеннами;
  • возможно осуществлять длительное накопление сигнала в течении многих циклов зондирования, пока цель находится в зоне обзора;
  • использование диапазона метровых – дециметровых волн позволяет обнаруживать малоразмерные цели при наличии растительности, а также при наличии помех от волн при локации морских целей.

Окончательные выводы по эффективности обнаружения целей радиолокационной станцией с непрерывным излучением будут сделаны при проведении натурных испытаний на морском участке при наличии растительности и волнении моря, а также осадков в виде дождя, снега, тумана.

Список литературы

  1. Зимин Г.В. Справочник офицера противовоздушной обороны. – М.: Воениздат, 1981 . – С.70.
  2. Осетровые войны по обе стороны Каспия // Лада. 2006, № 50. – С. 14.
  3. Алтынбеков Р.М., Васильев И.В., Мартикьян А.С., Салий С.М., Съедин Д.Б. Радиолокатор с непрерывным излучением [текст]: Патент на изобретение № 34521 от 21.08.2020 РГП НИИС МЮ РК. Заявлено 25.06.2019. Опубликовано 21.08.2020. – 10 с.
  4. Справочник по радиолокации. Под редакцией М. Сколника. - Нью-Йорк, 1970. Пер. с англ. (в четырёх томах)/ под общей ред. К.Н.Трофимова/ Основы радиолокации. том 3. Под ред. Я.С. Ицхони. - М.: Сов. радио, 1976. – С. 234.
  5. SAKER радар. URL: http://www.hmarzenal.hu/eng/defense-industry/saker-radar.html (дата обращения 2021-07-26).

Интересная статья? Поделись ей с другими: