Интервью

Радиолокация для авиабезопасности: Евгений Воробьев о применении электромагнитных сигналов в исследованиях ЛЭТИ

Старший научный сотрудник НИИ «Прогноз», доцент кафедры радиотехнических систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Евгений Николаевич Воробьев в интервью рассказал о том, какие разработки с использованием электромагнитных сигналов ведутся в вузе.

Радиолокация для авиабезопасности: Евгений Воробьев о применении электромагнитных сигналов в исследованиях ЛЭТИ

Обнаружение объектов в воздухе играет важную роль в безопасности, предотвращая аварии в авиации. Это помогает обеспечить безопасность пассажиров и грузов, а также способствуют эффективному управлению воздушным движением.

О том, как сегодня производится обнаружение различных объектов в аэропространстве, как электромагнитные сигналы помогают отличать птиц от вертолетов, а также какие современные методы разрабатываются с этой целью в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» рассказывает старший научный сотрудник НИИ систем прогнозирования и мониторинга чрезвычайных ситуаций «Прогноз», доцент кафедры радиотехнических систем (РС) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Евгений Николаевич Воробьев.

– Евгений Николаевич, сегодня мы бы хотели поговорить с Вами подробнее об обнаружении различных объектов в небе с помощью электромагнитных сигналов. Объясните, пожалуйста, какой принцип работы лежит в данной технологии?

– Эффективным инструментом обнаружения объектов с помощью электромагнитных сигналов являются радиолокационные средства. Основная идея в радиолокации заключается в следующем: радиопередатчики излучают сигнал, а радиоприемники принимают отраженные сигналы от движущихся объектов. С помощью специальных алгоритмов обработки сигналов можно определять местоположение объектов, строить траектории движения и выполнять их распознавание.

В ЛЭТИ, помимо традиционных активных радаров, мы используем необычную технологию – полуактивную радиолокацию. В этом случае мы не излучаем собственный сигнал, а используем уже существующие сигналы от телекоммуникационных систем, таких как цифровое телевидение, чтобы «подсветить» объекты. С помощью полуактивного радиолокатора мы только принимаем сигналы, отраженные от объектов, и прямой сигнал от стороннего передатчика цифрового телевидения.

Одно из гражданских применений этой технологии – защита аэропортов и предотвращение столкновений самолетов с другими объектами, такими как птицы или квадрокоптеры, мультикоптеры и т.д. С помощью радиолокатора можно обнаруживать объекты на маршруте самолета, распознавать их и принимать меры для устранения потенциальных угроз.

– Хотелось бы подробнее остановиться на сигналах цифрового телевидения. Почему из уже существующих сигналов выбор пал именно на них?

– Сначала мы планировали использовать не только сигналы цифрового телевидения, но и FM-радио, но после анализа характеристик (структура сигнала, частота вещания, полоса частот) мы пришли к выводу, что цифровое телевидение является более предпочтительным вариантом. 

Частотный спектр цифрового сигнала не зависит от передаваемого контента, что обеспечивает стабильное качество сигнала вне зависимости от того, что именно транслируется (музыка, речь или изображение). В этом случае характеристики обнаружения зависят по большей части от расположения радара и объекта относительно телебашни, мощности передатчика и наличия других передатчиков, работающих на этой же частоте в округе.

– С технологией и основами ее функционирования, а также ее назначением понятно. А как именно проводится классификация объектов?

– Мы разработали алгоритмы распознавания, которые используют как траекторные, так и сигнальные признаки. Например, к траекторным относятся такие параметры как скорость и высота полета. Птицы обычно летают на высотах до 100 метров и с максимальной скоростью не более 100 км/ч (за исключением хищных птиц), вертолеты могут летать на высотах до 6 км и имеют крейсерскую скорость более 200 км/ч, а пассажирские самолеты могут подниматься на высоту до 10 км со средней крейсерской скоростью 880-926 км/ч. К сигнальным признакам можно отнести уровень отраженного сигнала. Ведь чем больше объект, тем мощнее отраженный сигнал.

– Наверное, сложно идентифицировать такие мелкие летающие объекты, как птицы и квадрокоптеры, когда они имеют схожие характеристики?

– Да, из-за схожести размеров этих объектов по уровню отраженного сигнала их трудно различить. Кроме того, их скорости полета находятся в одном диапазоне (50-100 км/ч), и высоты также сопоставимы (10-100 м). 

Однако классификация объектов на основе отраженных сигналов имеет свои особенности, связанные со структурой этих сигналов. При отражении сигнала от различных классов объектов изменяется его структура. Полет вертолета, легкомоторного самолета или квадрокоптера выполняется за счет вращения винтов, движение которых влияет на структуру отраженного сигнала. Это приводит к появлению дополнительных модуляционных составляющих, связанных с параметрами вращения винтов.

При анализе сигнала, например, от квадрокоптера можно наблюдать периодические составляющие, соответствующие отражениям от лопастей его пропеллера. В свою очередь, птицы кроме основного движения во время полета создают микродвижения за счет машущих крыльев, в результате чего возникает определенная модуляция отраженного сигнала. Таким образом, с помощью сигнальных признаков, содержащих информацию о пропеллерах или взмахах крыльев, можно выполнять классификацию даже малых летающих объектов.

Какие именно признаки лучше использовать для распознавания зависит от типа используемого радиолокатора и сигналов «подсвета».

– А что происходит после того, как объект распознан?

– Оценивается степень угрозы, которую они представляют. Например, если птица летит в направлении самолета, следует принять меры по ее отпугиванию, например, включить отпугиватель или запустить охотничью птицу. В других случаях могут потребоваться меры по коррекции маршрута самолета или подавлению угроз с помощью радиоэлектронной борьбы.

– Вами проделана огромная работа по совершенствованию данной технологии. А какое применение сегодня находит разработанный способ?

– Мы уже более 10 лет занимаемся разработкой радиолокаторов, использующих сигналы цифрового телевидения. Первый экспериментальный образец был создан в 2015 году, и с тех пор мы значительно его модернизировали, а также разработали целую серию опытных образцов полуактивного радиолокатора с различными конфигурациями антенной системы и приемника. 

Например, один из образцов установлен на крыше 5-го корпуса университета и способен обнаруживать объекты над Санкт-Петербургом в секторе 90 градусов, направленном на южную часть города. Это позволяет отслеживать самолеты, прилетающие и вылетающие из аэропорта Пулково. 

В настоящее время устройства по нашим разработкам производятся индустриальными партнерами и были поставлены на опытную эксплуатацию в некоторые аэропорты России, что подтверждает их практическую ценность и эффективность в реальных условиях.