Когерентная обработка радиолокационных сигналов: история, состояние и перспективы.

В. Г. Бартенев

Представлен обзор развития когерентной техники в радиолокации почти за 70 лет. Основное внимание уделено первым как отечественным, так и зарубежным когерентным системам с аналоговой и цифровой реализацией. Акцент сделан на перспективное развитие программируемых адаптивных когерентных систем на ПЛИС и DSP.

Введение.

Некоторые историки утверждают, что до 1943 г. в СССР радиолокации не было, и лишь с появлением Постановления 1943 г. № ГОКО-368600 был создан Совет по радиолокации при Государственном Комитете Обороны. Эту дату они называют днем рождения отечественной радиолокации. Конечно, это не так. И это утверждение полностью опровергается историей создания еще к началу Великой Отечественной войны Службы воздушного наблюдения, в состав которой входили отечественные РЛС дальнего обнаружения РУС-2 и РУС-2с, созданные в НИИ-20 (ныне ВНИИРТ) [1].

Тем не менее, нельзя не отметить важность сталинского постановления «О радиолокации», которому исполнилось немногим более 70 лет. Постановление вышло в год коренного перелома в Великой Отечественной войне после победы Красной армии в Сталинградской битве и накануне Курской битвы, в которой также была одержана победа. В это же время англичане в своей борьбе против фашистской Германии пошли на беспрецедентный шаг. Ими впервые был применен новый вид оружия: в Гамбурге был осуществлен массовый сброс пассивных помех против немецких РЛС [2]. Это событие серьезным образом повлияло на реализацию постановления «О радиолокации» и на интенсивное развитие отечественной радиопромышленности в целом.

Пассивные помехи над Гамбургом.

Поздним вечером 24 июля 1943 г. немецкая РЛС «Wuerzburg» в Остенде обнаружила группу британских самолетов, приближающуюся со стороны Северного моря. РЛС в Гамбурге также обнаружила группу противника и сообщила об этом в штаб соответствующего командования. Это было их последним наблюдением целей, потому что внезапно количество ответных сигналов целей на экранах всех РЛС, к изумлению операторов, непропорционально увеличилось, и операторы не могли понять, действительно ли в налете участвуют тысячи самолетов. В конце концов они сообщили, что их РЛС работают неверно и запросили инструкций.

Тем временем, группа самолетов англичан почти достигла предместий Гамбурга, поскольку немецкие батареи и эскадрильи истребителей не смогли отреагировать на угрозу из-за отсутствия команд наведения от своих РЛС. Частично скрытая чем-то, чего немцы не могли понять, огромная группа самолетов, состоявшая из 718 четырехмоторных и 73 двухмоторных бомбардировщиков, без какого-либо сопротивления, достигла центра города. Командование ПВО Гамбурга из-за недостатка информации отдало приказ вести стрельбу по бомбардировщикам вслепую. Однако, достигнув своих целей, они успешно выполнили один из наиболее ужасных в истории воздушных налетов.

Пассивные помехи оказались простым, но эффективным средством, которое впервые было применено против немецких РЛС «Wuerzburg». Постановка пассивных помех заключалась в выбросе из самолета тонких полосок фольги определенной длины. Чтобы эффективно подавить РЛС противника длина полоски фольги соответствовала половине рабочей длины волны РЛС. Выбрасываемые пачками, которые затем раскрывались, полоски фольги создавали ответные сигналы целей на экранах РЛС и скрывали ответные сигналы от реальных самолетов или имитировали присутствие их в огромном количестве. Операторы РЛС были совершенно сбиты с толку бесчисленными белыми вспышками на экранах РЛС и не имели возможности определить количество и местонахождение приближающихся самолетов противника.

Англичане додумались до этого средства противодействия годом ранее, вскоре после их рейда на Гавр, в результате которого были захвачены некоторые компоненты РЛС «Wuerzburg». Однако какое-то время англичане колебались применять пассивные помехи, так как боялись что они попадут в руки противника и могут быть использованы против них же. Наконец, сам Уинстон Черчилль отдал приказ об использовании пассивных помех в запланированном на июль 1943 г. налете на Гамбург. Приказ Королевским ВВС был отдан условной фразой: «Open window (открыть окно)», после чего полоски фольги стали называться Window. Американцы стали называть их «chaff». В отечественной терминологии полоски фольги получили название дипольных отражателей или противорадиолокационных отражателей (ПРЛО).

Разрушения и человеческие жертвы, вызванные воздушным налетом британцев на Гамбург, были огромны. Всего за два с половиной часа на порт и центр города было сброшено 2 300 тонн бомб. Из 791 бомбардировщика, участвовавшего в налете, только 12 не смогли вернуться; этот показатель потерь составил менее трети среднего количества терявшихся в самых последних ночных налетах на Германию самолетов. Кроме того, хаос, возникший в немецкой системе ПВО, позволил британцам бомбить город с большей точностью, чем когда-либо прежде. Налет на Гамбург был, несомненно, наиболее успешным налетом, когда-либо совершенным бомбардировщиками Королевских ВВС, а его успех в значительной степени обеспечен применением простого, но эффективного средства — обычной фольги!

Прошло достаточно много времени пока немцы поняли, что странные предметы, падающие как дождь с неба, представляют собой простейшее средство введения в заблуждение их РЛС и системы наведения. По крайней мере, сотни полосок было достаточно для того, чтобы создать на экране РЛС ответный сигнал, эквивалентный ответному сигналу самолета; случайно, но большинство немецких РЛС, работающих на частотах между 550 и 570 МГц, были наиболее уязвимы к помехам и, поэтому для создания им помех требовалось минимальное количество полосок фольги. Во время налета на Гамбург с каждого из самолетов, выделенных для этой роли, было сброшено по две тонны пассивных помех!

Через две ночи на Гамбург был совершен повторный налет, а затем последовали налеты и на другие большие немецкие города, и во всех этих налетах использовалось новое средство электронного противодействия. За первые шесть налетов было совершено 4000 самолето-вылетов и потеряно всего 124 бомбардировщика (3% от общего количества), что было намного ниже потерь, понесенных в предыдущих налетах. Через несколько месяцев генерал Вольфганг Мартини, начальник связи Люфтваффе, признал, что тактический успех противника был абсолютным. Однако, вскоре после того как прошел первоначальный шок, немцы решили сами производить эти бесценные полоски фольги и через шесть недель после налета на Гамбург использовали их с чрезвычайно хорошими результатами при налете на британскую авиабазу.

Первая отечественная РЛС с когерентно-импульсной обработкой.

Использование пассивных помех англичанами не осталось без внимания в СССР. В частности, во вновь организованном в соответствии с «Постановлением о радиолокации» в 1943 г. ЦНИИ-108 (сегодня ГОСЦНИРТИ) были развернуты работы по созданию пассивных помех [2]. Наиболее известной в этой области стала работа сотрудника ЦНИИ-108 М. А. Леонтовича “Теоретические основы метода создания дипольных помех”, которая относится к 1944 г. Позже это направление развивалось также и на основе использования ложных целей.

Командование Красной армии и военные инженеры Главного Артиллерийского Управления (ГАУ), которые занимались обеспечением Войск ПВО радиолокационными станциями, отчетливо представляли, какие неисчислимые беды и разрушения может нанести авиация противника, если РЛС будут выведены из строя и зенитные и авиационные средства окажутся «слепыми». Поэтому в конце 1943 г., для ускорения разработки средств защиты от пассивных помех, Советом по радиолокации при Государственном Комитете Обороны, созданным также по «Постановлению о радиолокации», был объявлен изобретательский конкурс. Его предполагаемые участники были созваны на совещание, где были сформулированы условия конкурса. Там же Ю. Б. Кобзарев сделал сообщение о возможных методах борьбы с пассивными помехами. В сообщении особое внимание уделялось когерентно-импульсной технике, основанной, в частности, на применении вспомогательного источника когерентных колебаний, фазируемого импульсами передатчика.

Можно считать, что идея Ю. Б. Кобзарева, высказанная на совещании, и положила начало новому направлению в радиолокационной технике — когерентному приему радиолокационных сигналов.

Свою идею Кобзарев взял за основу способа когерентно-импульсной работы РЛС, который в виде заявки на изобретение направил в Комитет по изобретениям. Авторское свидетельство № 5352с. было получено им в 1945 г. Приступить к практической реализации предложенного способа Кобзареву удалось только в 1949 г., когда в НИИ20 под его руководством, в рамках НИР «Стекло» [3], началась разработка когерентно-импульсной техники применительно к новым РЛС дальнего обнаружения в 10-сантиметровом диапазоне. Основные трудности работ НИИ-20 были связаны как с новым диапазоном волн, который еще только осваивался в амплитудном режиме при разработке послевоенных станций П-50 и П-20, так и с реализацией когерентно-импульсного режима в РЛС дальнего обнаружения, работающих с малой частотой повторения (порядка 300 Гц). Тем не менее, эти трудности были преодолены и, как писал в то время Ю. Б. Кобзарев: «В результате работ НИИ-20, занимающего в области когерентно-импульсной техники ведущее положение, все основные вопросы когерентно-импульсной техники к началу 50-х годов были разрешены». Далее Ю. Б. Кобзарев пишет: «Следует, конечно, не забывать, что когерентно-импульсная техника по сложности и тонкости применяемых в ней приемов радикально отличается от обычной импульсной техники, использовавшейся до настоящего времени в радиолокации. Внедрение когерентно-импульсной техники в радиолокационную практику будет поэтому сопряжено с преодолением значительных трудностей». Прежде всего нужно было решить следующие проблемы:

• создать 10-сантиметровый местный гетеродин с высокой стабильностью частоты;
• создать когерентный гетеродин на 30 МГц с высокой стабильностью частоты;
• разработать линии задержки на большое время, равное периоду повторения импульсов РЛС дальнего обнаружения;
• разработать систему запуска передатчика, обеспечивающего равенство периода повторения и времени задержки с высокой степенью точности;
• разработать мощный передатчик с высокой степенью постоянства времени начала генерации относительно момента запуска:
• разработать устройство компенсации влияния ветра;
• разработать систему автоподстройки частоты.

Что касается перечисленных задач, то для их решения или вовсе не было опыта, или имевшегося опыта было явно недостаточно. Однако эти проблемы были решены. Первой отечественной РЛС, в которую была встроена когерентная система обработки сигналов, стала П-20 («Перископ»). В НИР «Стекло» со всей очевидностью было доказано, что предложенный Ю. Б. Кобзаревым способ защиты РЛС от пассивных помех, основанный на фазировании когерентного гетеродина радиоимпульсом магнетрона (впоследствии названный псевдо-когерентным методом), может успешно применяться в РЛС дальнего обнаружения. Доказательством тому служит тот факт, что на протяжении последующих многих лет этот метод был внедрен во многих отечественных магнетронных РЛС: П-15, П-30, П-30М, П-35, П-35М, П-37, П-80, П-90 и др. Эти РЛС прожили эффективную и долгую жизнь. Они применялись в боевых действиях на Ближнем Востоке и во Вьетнаме и везде демонстрировали высокие тактико-технические характеристики.

Первые цифровые системы когерентной обработки сигналов.

По мере того как магнетроны в передатчиках РЛС заменялись мощными усилителями (на клистронах ЛБВ, амплитронах), что позволяло получить истинную когерентность излучаемых радиоимпульсов, а на смену ртутным линиям задержки и потенциалоскопам пришли кварцевые ультразвуковые линии задержки, работающие на промежуточной частоте, эффективность систем селекции движущихся целей (СДЦ) существенно повышалась. Однако линии задержки требовали термостатирования и всевозможных автоматических регулировок и поэтому проблема стабильной работы аналоговых когерентных систем оставалась главной. И хотя более совершенная элементная база с появлением транзисторов и первых интегральных микросхем серьезным образом повлияла на построение когерентных систем обработки радиолокационных сигналов, самым узким местом к концу 60-х гг. оставалось быстродействующее аналого-цифровое преобразование. Может быть поэтому первым отечественным цифровым устройством с когерентной обработкой радиосигналов была не система СДЦ, а когерентный многоканальный доплеровский накопитель на 32 импульса [4, 5].

Мне довелось участвовать в разработке этого устройства, когда я работал в Новосибирском Научно-исследовательском институте измерительных приборов (тогда п/я 39). Что же способствовало созданию цифрового когерентного накопителя, который был использован в РЛС 9С18 (главный конструктор А. П. Ветошко) для защиты от мощных шумовых заградительных помех? К концу 60-х гг. в нашей стране появились первые цифровые микросхемы сдвиговых регистров 186-й серии. Например, КР186ИР4 — это 64-разрядный квазистатический последовательный регистр сдвига. Именно на них и были реализованы цифровые линии задержки когерентного накопителя. Для стабилизации ложных тревог на входе накопителя было применено жесткое ограничение сигналов на промежуточной частоте с последующим выделением с помощью фазовых детекторов квадратурных составляющих, которые с помощью компараторов квантовали фазу на четыре уровня. С отводов регистров сдвига сигналы подавались на резистивную матрицу, формирующую весовые коэффициенты дискретного преобразования Фурье. Сигналы с 32 доплеровских каналов объединялись на выходе схемой максимального отбора и после сравнения с порогом подвергались дополнительно некогерентному накоплению. Испытания этого накопителя в 1974—1975 гг. показали хорошие результаты, и самое главное выявили преимущество цифровой обработки. Создать подобное устройство на аналоговых линиях задержки не представлялось возможным. Попытки применить жесткое ограничение на входе системы СДЦ, как в когерентном накопителе, для упрощения цифровой их реализации показали отрицательный результат. Настоящей сенсацией в то время я бы назвал статью в Westinghouse Electric Corporation, где было приведено описание практической реализации первой в мире цифровой системы СДЦ [6]. Как отмечали авторы этой статьи, аналого-цифровой преобразователь являлся наиболее сложным устройством в этой цифровой системе СДЦ. Это и понятно, 9-разрядный АЦП с частотой преобразования 10 МГц в конце 60-х гг. изготовить было непросто. В качестве цифровой памяти использовалась память на ферритовых кольцах. Но самое удивительное, что когерентная обработка была реализована для пятиимпульсной пачки с весовыми коэффициентами –0,875; –1; 3,750; –1; –0,875, оптимизирующими как вид скоростной характеристики, так и упрощающими их ввод благодаря возможности представления в виде –0,875 = –1 + 1/23 и 3,750 = 22–1/22

Рис. 1. Функциональная схема первой в мире цифровой системы СДЦ

Рис. 2. Первый в мире цифровой адаптивный компенсатор пассивных помех (РЛС СТ-68)

Для ускорения работ по созданию цифровой системы СДЦ в НИИИП мне было поручено подготовить техническое задание и взаимодействовать с Институтом электрометрии СОАН СССР, где по договору с НИИИП разрабатывался восьмиразрядный высокоскоростной АЦП с частотой дискретизации 3 МГц. Эти работы велись в лаборатории А. Н. Касперовича. Такой АЦП был создан, более того он был внедрен на Новосибирском заводе им. Коминтерна в РЛС 1С12 в рамках проводившейся в то время ее модернизации. К сожалению, в дальнейшем в РЛС 70-х гг. (5Н64, 9С15) НИИИП цифровую когерентную обработку в СДЦ не применял. Это было связано с тем, что система СДЦ, уже в то время адаптивная, на имеющейся элементной базе не могла быть реализована. Да и сжатие широкополосного ЛЧМ-сигнала тогда могли осуществить только в аналоговом согласованном фильтре на ПАВ с использованием дисперсионной линии задержки (на этой же линии задержки и формировался ЛЧМ-сигнал по схеме «ключ-замок»). Оригинальный алгоритм адаптивной системы СДЦ в отделе, которым руководил А. А. Мамаев, в упрощенном виде (с однократным вычитанием) был основан на авторском свидетельстве «Адаптивное устройство обработки импульсных сигналов» [7]. Лишь в начале 80-х гг. в состав опытного образца РЛС 64Н6 (главный конструктор Ю. А. Кузнецов, затем Г. Н. Голубев) была введена когерентная цифровая обработка сигналов. Несколько более преуспел в области цифровой когерентной обработки ВНИИРТ (г. Москва). Я имею в виду прежде всего мобильную трехкоординатную РЛС СТ-68, к разработке которой институт приступил в 1970 г. [8]. Это была первая РЛС по многим направлениям. Во-первых, она была многофункциональной, где кроме активных режимов работы был реализован режим пассивной пеленгации постановщиков активных помех. Многофункциональность проявлялась и в использовании дополнительного приемного канала с когерентной обработкой квазинепрерывного сигнала. Следующее достижение состояло в том, что впервые в этой РЛС была применена фазированная решетка на основе волноводно-щелевых линеек. Впервые в РЛС был использован автосъем радиолокационной информации с функциями автозахвата, автосопровождения и автоматической выдачи информации потребителям об обнаруживаемых целях. И, наконец, в‑третьих, в этой РЛС впервые была реализована цифровая когерентная адаптивная обработка сигналов, в частности, впервые в отечественной радиолокации был реализован цифровой адаптивный компенсатор пассивных помех [9,10].

Рис. 3. Стойка с унифицированными модулями цифровой когерентной обработки сигналов

В дальнейшем (1981—1985 гг.) в институте развертывается целая серия НИР («Перо», «Радуга», «Перспектива», «Ковер», «Планида» и др.), направленных на создание научно-технического задела для создания РЛС нового поколения. Облик РЛС нового поколения должен был отвечать многим требованиям, в частности, таким как твердотельное исполнение, цифровая обработка сигналов, адаптивность в сложной помеховой обстановке, унификация как межвидовая (РЛС для ПВО и УВД МГА), так и внутривидовая по применяемым в РЛС модулям и блокам.

Как пример такой унификации приведу перечень ячеек для реализации адаптивного цифрового когерентного обнаружителя движущихся целей, разработанных в рамках НИР «Перо», документация на которые была передана на предприятие п/я В-2588 (г. Муром): ячейки АЦП (9 разрядов 2,5 МГц), ячейки ОЗУ на микросхемах памяти с произвольной выборкой 134РУ6, ячейки сумматора и вычитателя, ячейки умножителя, ячейки функциональных преобразователей sin, cos, arctg, Но самое главное была передана конструкторская документация на стойку когерентного адаптивного обнаружителя движущихся целей, реализованного на этих унифицированных ячейках (см. рис.3).

В результате созданного научно-технического задела в институте были разработаны несколько твердотельных РЛС блочно-модульного построения. Это РЛС семейств «КАСТА» и «ГАММА» [8].

К концу 80-х гг. цифровая когерентная обработка сигналов стала применяться во многих НИИ и КБ при проектировании наземных РЛС кругового обзора, военно-морских РЛС, в станциях наведения ЗРК, бортовых радиолокационных комплексах самолетного и космического применения. Важно отметить, что появившиеся в то время первые сигнальные процессоры позволяли перейти от аппаратной реализации когерентной обработки к программируемой. В частности, мой первый опыт разработки программируемой когерентной обработки в РЛС для управления дорожным движением «ФОДОКОМ» относится к 1990 г. Когерентная обработка была реализована на советском сигнальном процессоре 1867ВМ1 (аналог TMS320C10), который в реальном масштабе времени осуществлял доплеровскую фильтрацию по алгоритму 256 точечного БПФ с весовой обработкой по Хэммингу для минимизации уровня боковых лепестков в частотной области. Эта программируемая доплеровская РЛС непрерывного излучения показала все преимущества концепции программируемых систем.

Позже, в 1993 г. все преимущества программируемых радиоэлектронных когерентных систем были реализованы при создании многопроцессорного программируемого комплекса «СИНТАЛФОН». Это было 32-канальное устройство с сигнальными процессорами 1867ВМ2 (аналог TMS320C25) в каждом приемном канале, конструктивно размещенное в КАМАКе (CAMAC — Сomputer Automated MeasurementAndControl). В IBMPCустанавливалась плата управления с сигнальным процессором, имеющим параллельно-последовательный интерфейс. Конфигурация такой программируемой среды задавалась загрузкой программного обеспечения через последовательный интерфейс. Аналоговые принимаемые сигналы оцифровывались 10-разрядными АЦП с частотой дискретизации 1,2 МГц, а последующая фильтрация, обнаружение когерентных сигналов производились в сигнальном процессоре. Результаты такой обработки в виде файла данных передавались по параллельному интерфейсу в плату управления IBM PC, используя логику прерываний. Экран IBM PC использовался для отображения всей полученной информации. Модульность конструкции, программируемая гибкость этого комплекса позволяли применять его для решения различных задач когерентной обработки.

Рис. 4. Модуль цифровой когерентной обработки сигналов на DSP

В то время как в России в 90-е годы практически была полностью разрушена электронная промышленность, на западе, а затем в Юго-Восточной Азии и Китае была создана мощная инфраструктура производств комплектующих для программируемой электроники. К началу XXI века были разработаны несколько поколений микропроцессоров, сигнальных процессоров и ПЛИС.

Появление в новом веке целых семейств высокопроизводительных сигнальных процессоров, созданных фирмами-лидерами в этой области — Texas Instrumentsи AnalogDevices, а также супер-ПЛИС из Xilinx и Altera, открыло новые горизонты в развитии программируемых систем цифровой обработки когерентных сигналов. В настоящее время практически все разрабатываемые во ВНИИРТе РЛС используют программируемую цифровую обработку когерентных сигналов [11,12]. В частности, в современной РЛС разработки ВНИИРТ «ПАНЦИРЬ-С1» используется высокопроизводительный программируемый модуль ЦОС на нескольких сигнальных процессорах фирмы Analog Devices (см. рис.4).

Заключение.

Сейчас Россия оказалась перед новым вызовом — технологическим, т. е. быть или не быть ей передовой независимой державой, или превратиться в колонию с последующим распадом. Как и 70 лет назад в военную пору, когда Сталин подписал историческое Постановление «О радиолокации», новой демократической России нужен технологический прорыв, обеспечивающий прежде всего переход от аппаратной цифровой когерентной обработки к программируемой цифровой обработке на отечественных ПЛИС и сигнальных процессорах. И хотя они уже появляются, требуется еще много усилий, особенно в условиях рынка и тем более в условиях присоединения России к ВТО, для их массового освоения и применения в задачах когерентной цифровой обработки сигналов в радиолокации, радиосвязи и других областях.

Литература

1. История отечественной радиолокации. — М.: ИД «Столичная энциклопедия», 2011.
2. Кобзарев Ю. Б. Создание отечественной радиолокации. М.: «Наука», 2007.
3. Разработка методов уменьшения помех от местных предметов, метеофакторов и дипольных отражателей в станциях дальнего обнаружения. Научно-технический отчет по НИР «Стекло». НИИ-20, 1951.
4. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я. Д. М.: «Советское радио», 1970.
5. Лихарев В. А. Цифровые методы и устройства в радиолокации. М.: «Советское радио», 1973.
6. Linder R. A., Kutz G. H. Digital Moving Target Indicators. IEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems. Vol. AES-3, № 6, 1967.
7. Бартенев В. Г., Шлома А. М. Адаптивное устройство обработки сигналов. № 604414 с приоритетом от 6 июля 1976 г.
8. ВНИИРТ. Страницы истории. М.: ИД «Оружие и технологии», 2006.
9. Бакулев П. А ., Степин В. М. Методы и устройства селекции движущихся целей. М.: «Радио и связь», 1986.
10. Кузьмин С. З. Основы проектирования систем обработки радиолокационной информации. М.: «Радио и связь», 1986.
11. Bartenev V. Software Radar: New Reality. Radar 2006. CIE ‘06. International Conference. China, Shanghai 16—19 Oct. 2006, Print ISBN:0—7803—9582—4
12. Корляков В. В., Бартенев В. Г., Битюков В. К., Григорьев Л. Н. Всероссийский НИИ радиотехники — 90 лет лидерства. Вестник Концерна ПВО «Алмаз-Антей» № 2, 2011.

Об авторе: профессор ОАО ВНИИРТ, д. т.н.;
syntaltechno@mail. ru

Статья опубликована в журнале «Электросвязь: история и современность» № 3 2014 г.
Помещена в музей с разрешения редакции 21 июня 2014