Способ формирования ответных имитационных помех и устройство для его реализации

Изобретение относится к области радиотехники, конкретно к способам и устройствам радиоэлектронного подавления радиоэлектронных средств (РЭС), и может быть использовано при разработке средств создания активных ответных имитационных радиопомех РЭС связи, радиолокации, радионавигации, радиотелеуправления.

Известен способ формирования радиопомех [см., например, патент ЕР 0293167 А2, МПК H04K 3/00, опубликованный 30.11.88, бюл. 88/48]. Способ включает прием сигнала источника излучения, определение частотных и структурных параметров этого сигнала (несущую частоту, длительность передачи, моменты начала и окончания передачи соседнего «дружественного передатчика»), формирование структуры модулирующего помехового напряжения, модуляцию сигнала возбудителя полученным модулирующим напряжением, усиление и излучение в эфир помехового радиосигнала только после окончания работы соседнего передатчика.

Недостаток способа заключается в том, что он обеспечивает эффективное подавление ограниченного класса средств, а именно, только систем связи, работающих в симплексном режиме приема и передачи сообщений.

Известен способ создания ответных радиопомех радиолокационным станциям на основе переизлучающих антенных решеток [см., например, Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. - М: Воениздат, 1989, с. 83-85.], основанный на приеме сигнала излучения РЭС и обратном его переизлучении в направлении на РЭС. При необходимости переизлучаемый сигнал усиливается и модулируется по амплитуде, частоте или фазе. Реализуется такой способ в ретрансляторе направленного действия с решеткой Ван Атта [см, например, Перунов Ю.М., Фомичев К.И., Юдин Л.М. Радиоэлектронное подавление информационных каналов систем управления оружием. / Под ред. Перунова Ю.М. - М: Радиотехника, 2003, с. 324-325.]. Такой ретранслятор имитирует ложную радиолокационную цель в линейной радиолокации. Принимаемый приемной антенной решеткой ретранслятора сигнал усиливается усилителями и излучается строго в направлении прихода зондирующего сигнала РЛС передающей антенной решеткой. Наличие антенных решеток с узконаправленной диаграммой излучения и усилителей обеспечивает требуемый высокий уровень ответного сигнала, имитирующего ложную радиолокационную цель.

Недостаток такого способа и устройства заключается в том, что обеспечивается эффективное подавление ограниченного класса средств, а именно, радиолокаторов, работающих в узком частотном диапазоне. Способ и устройство не могут быть распространены на создание имитационных помех средствам радионавигации и связи. Частотный диапазон устройства ограничивается в основном диапазоном работы решетки Ван Атта. Кроме того, помеха должна быть коррелирована с сигналом подавляемого РЭС, что требует знания параметров модуляции его излучения.

Известны способы формирования помех (ложных сигналов) РЭС связи, радиолокации, радионавигации, радиотелеуправления, действие которых приводит к уводу следящих систем радиолокаторов, например, по дальности, скорости, угловым координатам, а также устройства, реализующие эти способы [см., например, Перунов Ю.М., Фомичев К.И., Юдин Л.М. Радиоэлектронное подавление информационных каналов систем управления оружием. / Под ред. Перунова Ю.М. - М: Радиотехника, 2003, с. 324-326].

Недостатком этих способов и устройств является сложность формирования уводящих по координатам помех для РЭС различного назначения, а также необходимость знания параметров модуляции сигнала подавляемого РЭС.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому в изобретении способу является способ формирования ответных имитационных помех с использованием суррогатных сигналов, основанный на приеме излучаемого сигнала РЭС, равномерном квантовании его по уровням амплитуд, перемешивании сигнальных отсчетов внутри интервалов квантования по заданному закону, формировании массивов суррогатных сигнальных подмножеств, объединении элементов перемешанных подмножеств и получении требуемого ансамбля помехового сигнала [см., например, Васюта К.С. Формирование ответных имитационных помех радиотехническим системам с применением суррогатных сигналов. / Системы обработки информации, 2013, выпуск 4 (111) ISSN 1681-7710, Харьковский университет Воздушных сил имени Ивана Кожедуба, с. 12-15].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому в изобретении устройству является устройство, реализующее описанный способ, схема которого приведена на рисунке 4 вышеуказанной статьи Васюты К.С.

Недостатком способа и реализующего его устройства является большое время, требуемое для формирования помехи, что приводит к увеличению времени реакции средств создания помех. Это ограничивает возможности средств радиоэлектронного подавления, в частности, не обеспечивается эффективное подавление систем связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ).

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей способа и устройства по созданию ответных имитационных помех РЭС различного назначения за счет упрощения процесса формирования помех в широком частотном диапазоне и сокращения времени их формирования.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе формирования ответных имитационных помех, основанном на приеме сигнала РЭС, его обработке и излучении в направлении на РЭС, согласно изобретению, принятый сигнал нелинейно искажают, проверяют качество нелинейных искажений сигнала, если качество нелинейных искажений сигнала удовлетворяет заданным требованиям, то излучают этот искаженный сигнал в направлении на РЭС, в противном случае перед излучением предварительно обогащают его спектр дополнительными интермодуляционными составляющими 3-го порядка, то есть дополнительно искажают ответный сигнал.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве формирования ответных имитационных помех, содержащем последовательно соединенные приемную антенну и широкополосное приемное устройство, последовательно соединенные усилитель мощности и передающую антенну, согласно изобретению, дополнительно введены блок формирования нелинейных искажений, последовательно соединенные блок определения коэффициента гармоник, схема сравнения и ключевая схема, выход которой соединен с входом усилителя мощности, а также последовательно соединенные синтезатор частоты и блок обогащения спектра помехи, выход которого соединен со вторым входом ключевой схемы, при этом выход блока формирования нелинейных искажений соединен с объединенными входом блока определения коэффициента гармоник, вторым входом блока обогащения спектра помехи и третьим входом ключевой схемы, а выход широкополосного приемного устройства соединен с объединенными входами блока формирования нелинейных искажений и синтезатора частот.

Указанный технический результат достигается тем, что блок определения коэффициента гармоник состоит из узкополосного и широкополосного усилителей, входы которых объединены и являются входом блока определения коэффициента гармоник, последовательно соединенных схемы вычитания, широкополосного фильтра, первого фильтра нижних частот и блока деления, выход которого является выходом блока определения коэффициента гармоник, а также последовательно соединенных узкополосного фильтра и второго фильтра нижних частот, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход узкополосного усилителя соединен с объединенными первым входом схемы вычитания и входом узкополосного фильтра, а выход широкополосного усилителя - со вторым входом схемы вычитания.

Сущность способа формирования ответных имитационных помех заключается в том, что принятый сигнал нелинейно искажают, проверяют качество нелинейных искажений сигнала, если качество нелинейных искажений сигнала удовлетворяет заданным требованиям, то излучают искаженный сигнал в направлении на РЭС, в противном случае дополнительно перед излучением обогащают его спектр искажающими интермодуляционными составляющими 3-го порядка.

Сущность устройства формирования ответных имитационных помех заключается в том, что дополнительно введены блок формирования нелинейных искажений, последовательно соединенные блок определения коэффициента гармоник, схема сравнения и ключевая схема, выход которой соединен с входом усилителя мощности, а также последовательно соединенные синтезатор частоты и блок обогащения спектра помехи, выход которого соединен со вторым входом ключевой схемы, при этом выход блока формирования нелинейных искажений соединен с объединенными входом блока определения коэффициента гармоник, вторым входом блока обогащения спектра помехи и третьим входом ключевой схемы, а выход широкополосного приемного устройства соединен с объединенными входами блока формирования нелинейных искажений и синтезатора частот, а блок определения коэффициента гармоник состоит из узкополосного и широкополосного усилителей, входы которых объединены и являются входом блока определения коэффициента гармоник, последовательно соединенных схемы вычитания, широкополосного фильтра, первого фильтра нижних частот и блока деления, выход которого является выходом блока определения коэффициента гармоник, а также последовательно соединенных узкополосного фильтра и второго фильтра нижних частот, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход узкополосного усилителя соединен с объединенными первым входом схемы вычитания и входом узкополосного фильтра, а выход широкополосного усилителя - со вторым входом схемы вычитания.

В известном способе формирование ответных имитационных помех осуществляется путем равномерного квантования принятого сигнала по уровням амплитуд, перемешивания сигнальных отсчетов внутри интервалов квантования по заданному закону, формирования массивов суррогатных сигнальных подмножеств, объединения элементов перемешанных подмножеств и получения требуемого ансамбля помехового сигнала. Для получения требуемого ансамбля помехового сигнала необходимо многократное повторение действий начиная с формирования массивов суррогатных сигналов, что требует длительных вычислительных процедур и высокопроизводительных вычислительных систем [см., например, Гарифуллин М.Р., Наумова Е.А., Жувак О.В., А.В. Барабаш А.В. Суррогатное моделирование в строительстве // Строительство уникальных зданий и сооружений, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2(41), 2016, с. 118-132].

Эффективность средств создания имитационных помех характеризуются временем цикла подавления, которое, в основном, определяется временем формирования помехи в процедуре разведка - подавление. Так, например, цикл подавления систем связи с ППРЧ не должен превышать 2…6 мс, что определяется временем перестройки частоты системы связи, а для радиолокационных средств, в основном, он определяется периодом изменения параметров сигнала излучения. Так, например, в статье Гордейчук А.Ю., Дворников С.В., Иванов В.А., Русинов М.А., Семисошенко М.А. Оценка помехозащищенности линий радиосвязи в режиме с медленной программной перестройкой рабочей частоты // Труды учебных заведений связи. 2017. Т. 3. №4, на стр. 40 указано, что нарушение работы линии радиосвязи с ППРЧ до 100 перестроек в секунду обеспечивается при длительности цикла подавления 2,5 мс.

Известно, что в любой системе приема и передачи данных с использованием электромагнитных излучений (радио, радиолокационная или оптическая система) полезная информация содержится в законах модуляции амплитуды, частоты или фазы передаваемого (принимаемого) излучения (сигнала), а имитирующая помеха направлена на внесение изменений в законы модуляции сигнала, отличные от действительных. Это приводит к появлению ложных целей, уводу систем сопровождения по дальности, скорости и угловым координатам на ложные цели или потере разборчивости речи [см., например, Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. - М.: Воениздат, 1989, с. 38-39, 44-47]. Любая модуляция связана с изменением спектрального состава сигнала. Такое же изменение происходит в результате нелинейных искажений сигнала [см., например, Бессчетнова Л.В. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учебно-методический комплекс. - Изд-во СЗТУ, 2009, с. 36], которое соответствует изменению закона модуляции сигнала, то есть изменению (разрушению) полезной информации в сигнале и внесению в него ложной информации. При этом параметры принятого сигнала полностью не изменяются, что присуще имитационным помехам, которые по своим параметрам имеют сходство с полезным сигналом, за исключением параметров, переносящих полезную информацию [см., например, Владимиров В.И., Лихачев В.П., Петров А.В. Основы построения средств и комплексов радиоэлектронной борьбы. Условия эффективного радиоподавления каналов передачи информации в конфликте средств радиоподавления с линией радиосвязи. Учебное пособие - Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», 2018, с. 123].

В изобретении предложено изменить спектральный состав принятого сигнала путем его нелинейного искажения, проверить качество искажения и в случае его несоответствия заданным требованиям по качеству помех, дополнительно обогатить спектр искаженного сигнала интермодуляционными составляющими 3-го порядка.

Нелинейное искажение сигнала достигается, например, усилением принятого сигнала с использованием усилителя, работающего в нелинейном режиме [см., например, Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1989, с. 111, 112]. Проверка качества искажения может быть выполнена, например, путем определения коэффициента гармоник и сравнения его с заданным значением. Коэффициент гармоник (К_г) определяется по известной формуле через отношение суммарной мощности гармоник (Р₂+Р₃+Р₄) к мощности основной частоты (P₁):

[см., например, выражение 1.15 в книге Бессчётнова Л.В. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учебно-методический комплекс, Изд-во СЗТУ 2009, с. 39], а в качестве заданного порогового значения может быть принята, например, допустимая величина коэффициента гармоник, которая для усилителей звуковой частоты в зависимости от качества соответствующего тракта воспроизведения, как показано там же, колеблется в пределах от 0,1% до (3…5)%. При значении коэффициента гармоник более 20% речевой сигнал становится неразборчивым.

В случае соответствия коэффициента гармоник заданным значениям искаженный сигнал усиливают по мощности и излучают в направлении РЭС как помеху. В противном случае обогащают спектр искаженного сигнала дополнительными интермодуляционными составляющими 3-го порядка. Выбор интермодуляционных составляющих 3-го порядка обусловлен тем, что они на частотной оси либо близко прилегают к спектру сигнала, либо находятся внутри него, тем самым обеспечивая наилучшее искажение спектра сигнала. Обогащение спектра искаженного сигнала дополнительными интермодуляционными составляющими 3-го порядка может быть выполнено, например, формированием сигнала на частоте, близкой к несущей или средней частоте сигнала подавляемого РЭС, и его смешивании с искаженным сигналом. Такой сигнал можно формировать, например, с помощью синтезатора частот [см., например, Бобкович П.И., Кузменков А.С. Отечественный синтезатор частот с высоким быстродействием и низким уровнем фазовых шумов // Современная электроника, 2015, №2, с. 2-6] на частоте, определяемой на основе формул продуктов интермодуляции третьего порядка:

ƒ_{комб. 31}=2ƒ_сигн.-ƒ_СЧ; ƒ_{комб. 32}=2ƒ_СЧ-ƒ_сигн,

где ƒ_СЧ - искомая требуемая частота сигнала на выходе синтезатора частот;

ƒ_сигн. - известная несущая частота сигнала, подавляемого РЭС;

ƒ_комб.31, ƒ_комб.32 - задаваемые комбинационные составляющие 3-го порядка.

Задаваясь значениями частот ƒ_комб.31 и ƒ_комб.32 (эти частоты должны быть в диапазоне частот сигнала РЭС) и зная несущую частоту РЭС ƒ_сигн, определяют требуемое для получения интермодуляционной составляющей 3-го порядка значение частоты синтезатора. Далее сигнал синтезатора смешивается с ранее искаженным в усилителе сигналом. При этом в спектре искаженного сигнала появляются комбинационные составляющие третьего порядка.

Этим достигается указанный в изобретении технический результат.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства формирования ответных имитирующих помех, а на фиг. 2 вариант выполнения блока определения коэффициента гармоник. На фиг. 1 и фиг. 2 обозначено: 1.1 и 1.2 - приемная и передающая антенны, соответственно, 2 - широкополосное приемное устройство, 3 - блок формирования нелинейных искажений, 4 - блок определения коэффициента гармоник, 5 - схема сравнения, 6 - ключевая схема, 7 - усилитель мощности, 8 - синтезатор частот, 9 - блок обогащения спектра помехи, 10.1 и 10.2 - узкополосный усилитель и широкополосный усилитель, соответственно, 11 - схема вычитания, 12.1 и 12.2 - узкополосный и широкополосный фильтры, соответственно, 13.2 и 13.1 - первый и второй фильтры нижних частот, соответственно, 14 - блок деления.

Назначение всех элементов ясны из их названия и все они могут быть выполнены на основе известных промышленно выпускаемых радиотехнических элементов. Так, например, блок формирования нелинейных искажений 3 может быть выполнен на основе усилителя с нелинейной передаточной характеристикой [см., например, Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1989, стр. 111-115].

Вариант построения блока определения коэффициента гармоник 4, представленного на фиг. 2, основан на нахождении коэффициента гармоник искаженного сигнала в соответствии с формулой 1.15 приведенной в [Бессчётнова Л.В. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учебно-методический комплекс - Изд-во СЗТУ, 2009, с. 39].

Устройство формирования ответных имитирующих помех работает следующим образом. Принятый приемной антенной 1.1 и широкополосным приемным устройством 2 сигнал поступает в блок формирования нелинейных искажений 3. В результате нелинейного усиления в спектральном составе сигнала появляются дополнительные спектральные составляющие, что эквивалентно изменению закона модуляции сигнала, и, как следствие, изменению полезной информации. Далее искаженный сигнал поступает в блок определения коэффициента гармоник 4 и на ключевую схему 6. В блоке определения коэффициента гармоник 4 определяется показатель качества нелинейных искажений, а именно коэффициент гармоник, определяющий качество помехи. В приведенном на фигуре 2 варианте выполнения блока определения коэффициента гармоник 4 показатель качества помехи определяется как квадратный корень из отношения суммарной мощности гармоник сигнала к мощности на несущей частоте. Искаженный сигнал поступает на вход узкополосного усилителя мощности 10.1 и широкополосного усилителя мощности 10.2, на выходе которых выделяются усиленные спектральная составляющая сигнала на несущей частоте и спектральные составляющие искаженного видеосигнала соответственно. Оба сигнала поступают в схему вычитания 11, на выходе которой получают спектральные составляющие искаженного сигнала без спектральной составляющей сигнала на несущей частоте. Сигнал с выхода узкополосного усилителя мощности 10.1 поступает также на вход узкополосного фильтра 12.1, а затем на вход второго фильтра нижних частот 13.1, а сигнал с выхода схемы вычитания 11 - на вход широкополосного фильтра 12.2, а затем - на вход первого фильтра нижних частот 13.2. На выходе первого фильтра нижних частот 13.2 получим мощность спектральной составляющей сигнала на несущей частоте, а на выходе второго фильтра нижних частот 13.1 - суммарную мощность гармоник искаженного сигнала [см., например, Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989 г. - с. 484]. На выходе блока деления 14 после извлечения квадратного корня получим коэффициент гармоник, значение которого поступает на первый вход схемы сравнения 5. На второй вход схемы сравнения 5 поступает заданное значение коэффициента гармоник К_{г зад}. Если измеренное значение коэффициента гармоник будет больше или равно заданному значению, то на выходе схемы сравнения формируется единичный сигнал, который поступает на управляющий вход ключевой схемы 6. При этом через ключевую схему проходит сигнал с выхода блока формирования нелинейных искажений 3, который после усиления по мощности в широкополосном усилителе мощности 7 излучается в направлении на РЭС через передающую антенну 1.2.

Если же измеренное значение коэффициента гармоник будет меньше заданного значения К_{г зад.}, то через ключевую схему проходит сигнал с выхода блока формирования нелинейных искажений 3, спектр которого дополнительно обогащен в блоке обогащения спектра 9 интермодуляционными составляющими 3-го порядка. Интермодуляционные составляющие 3-го порядка формируются в блоке обогащения спектра помехи 9. Блок обогащения спектра помехи 9 может быть выполнен в виде смесителя, используемого в радиоприемных, радиопередающих и других устройствах, в которых осуществляется генерирование и формирование сигнала [см., например, Дружинин А.Н., Конончук В.А., Лосев И.П., Серебряков М.А. Методики расчета устройств приема и обработки радиосигналов. Воронеж, Военный институт радиоэлектроники, 1999, с. 122, формула 5.2.1 или https://ru.wikipedia.org/wiki/ Смеситель_(электроника). Дата обращ. 6.08.2018 г.], причем синтезатор частот 8 выполняет роль гетеродина.

Таким образом, ответная имитирующая помеха формируется на основе известных методов преобразований сигнала. При этом не требуются знание параметров модуляции сигнала и сложные вычислительные системы. Способ и устройство могут быть использованы при разработке станций помех для подавления различных РЭС связи, радиолокации, радионавигации, радиотелеуправления и т.д.