СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЭХО-СИГНАЛОВ ОТ НЕСИНХРОННЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ В ПРИЕМНОМ КАНАЛЕ ИМПУЛЬСНО-ДОПЛЕРОВСКИХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ
METHOD OF PROTECTING ECHO SIGNALS FROM NONSYNCHRONOUS PULSE INTERFERENCE IN RECEIVING CHANNEL OF PULSED DOPPLER RADAR STATIONS

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в обзорных импульсно-доплеровских радиолокационных станциях (РЛС) для защиты эхо-сигналов от несинхронных импульсных помех (НИП) в условиях, как наличия, так и отсутствия отражений от мощных местных предметов.
Импульсные помехи часто по своему уровню значительно превосходят принимаемые эхо-сигналы, затрудняя их обнаружение. При этом наиболее характерными импульсными помехами являются помехи, вызванные работой таких же соседних РЛС (взаимные помехи) или других радиоустройств с импульсной модуляцией, работающих в смежных полосах частот.
Известны способы защиты от НИП.
Способ, реализованный по схеме полосовой фильтр (ПФ) - амплитудный ограничитель (АО) - оптимальный фильтр (ОФ) (см. книгу Лезина Ю.С. «Введение в теорию и технику радиотехнических систем», М., «Радио и связь», 1986, с.216-219), не защищает от взаимных помех (создаваемых таким же локатором) и имеет относительно большие потери чувствительности приемного канала по полезным целям при наличии множественных НИП.
Межпериодное отбраковывание НИП (авторы Лозовский И.Ф., Елагина К.А. «Алгоритм обнаружения некогерентной пачки импульсов в условиях воздействия несинхронных импульсных помех и сигналов», Седьмая научно-практическая конференция, г. Ульяновск, 2011) имеет значительные потери чувствительности обнаружения НИП при наличии сигналов от мощных местных предметов и земли, поскольку производится обработка сигналов с выхода квадратичного детектора.
Изменение рабочей поляризации (см. книгу Леонова А.И., Фомичева К.И. «Моноимпульсная радиолокация», М., «Радио и связь», 1984, с.240-243) усложняет антенную систему.
1
Наиболее близким по технической сущности заявляемому способу (прототипом) является способ, реализованный по схеме на фигуре 1, в котором последовательно выполняются операции: амплитудное ограничение (АО) 1, оптимальная фильтрация (ОФ) 2, амплитудное детектирование (АД) 3 и некогерентная обработка (НОПОМД) 4, проводимая в скользящем окне анализа в виде взвешивания с законом, обратно пропорциональным диаграмме направленности антенны, попарного отбора по минимуму из двух для сигналов после взвешивания в смежных отводах окна анализа, второго взвешивания сигналов с выходов отбора минимального из двух с законом определения весовых коэффициентов, прямо пропорциональным квадрату закона, описывающего диаграмму направленности антенны, и суммированию сигналов после первого взвешивания (фиг.1, патент РФ №2334247, МПК G01S 13/02, G01S 13/58, авторы Лукьянов С.Ф., Герасимов С.Н., Шаронов В.В.). При этом сигнал обрабатывается после проведения фазового детектирования (ФД) и межпериодной обработки (МПО), для которой полосовая фильтрация (ПФ) является частным случаем. Этот способ имеет потери чувствительности P, которые содержат две части.
Первая часть включает в себя увеличение порога обнаружения, обусловленное остатком от НИП на выходе формирователя порога обнаружения (ФПО) 23 (см. фиг.1), вторая - потери чувствительности при прохождении через фильтр МПО.
1
Потери чувствительности P в способе-прототипе зависят только от уровня порога ограничения, базы сигнала D и количества НИП, находящихся друг относительно друга по дальности не более чем на величину дальности, соответствующей длительности зондирующего импульса, и не зависят от уровня НИП. Схема прототипа позволяет значительно уменьшить только первую часть потерь чувствительности.
Основным недостатком способа-прототипа является потеря чувствительности канала обнаружения при наличии множественных НИП, находящихся друг относительно друга по дальности не более чем на величину дальности, соответствующей длительности зондирующего импульса, и взаимных помех, представляющих собой зондирующие импульсы второй (соседней) РЛС с фазовой структурой, оптимальной для согласованной фильтрации в первой РЛС.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение потерь чувствительности канала обнаружения в условиях наличия множественных НИП и взаимных помех.
Указанный результат достигается тем, что в способе обработки сигналов на фоне сильных импульсных помех в приемном канале импульсно-доплеровских РЛС производится обнаружение сигналов от НИП на уровне межпериодной обработки (до амплитудного ограничения) и замена обнаруженных сигналов от НИП на коррелированные с сигналами местных предметов значения в каждой квадратурной составляющей с последующей реализацией межпериодного и внутрипериодного накопления. При этом для обнаружения НИП используется сигнал с выхода фазового детектора (ФД).
Это позволяет реализовать защиту от ПИН:
- с незначительными потерями чувствительности, поскольку обнаружение НИП производится до когерентного внутри- и межпериодного накопления,
- на фоне сигналов от местных предметов и с наличием постоянных составляющих в квадратурах, так как появляется возможность их вычитания из сигнала с выхода фазового детектора.
2
Предлагаемый способ защиты от НИП позволяет уменьшить потери чувствительности за счет обнаружения и исключения сигнала помехи на более раннем этапе (до когерентной обработки РЛ-сигнала) на уровне межпериодной обработки. Это приводит к уменьшению амплитудно-фазовых искажений полезного сигнала на выходе фильтра МПО. При этом на вход этого фильтра будут проходить сигналы только тех НИП, уровень которых ниже некоторого порогового. При этом величина максимальных потерь чувствительности Р будет так же, как в вышеописанном случае, включать в себя две части.
Первая часть будет определяться увеличением порога обнаружения на выходе формирователя порога обнаружения, вторая часть - потери чувствительности при прохождении через фильтр МПО. Уменьшение потерь чувствительности будет тем больше, чем больше количество НИП в РЛ-сигнале, находящихся друг относительно друга не более чем на величину длительности зондирующего импульса, и больше порядок фильтра МПО.
Порог обнаружения НИП определяется по критерию Неймана-Пирсона (см. книгу Лезина Ю.С. «Введение в теорию и технику радиотехнических систем», М., «Радио и связь», 1986, с.54) и в случае наличия полезного сигнала зависит от его уровня - чем больше уровень полезного сигнала, тем больше значение порога обнаружения НИП. Поэтому наибольшая эффективность блока защиты от НИП достигается для полезных сигналов с небольшим отношением сигнал/шум. С другой стороны, полезные сигналы с большим отношением сигнал/шум при прохождении через фильтр МПО и оптимальный фильтр могут быть обнаружены с высокой вероятностью без блока защиты от несинхронной импульсной помехи.
На фигурах представлены:
- на фиг.1 - схема, реализующая способ прототипа;
- на фиг.2 - схема устройства, реализующего предлагаемый способ обработки сигналов на фоне сильных импульсных помех в приемном канале импульсно-доплеровских РЛС;
- на фиг.3 - структурно-функциональная схема блока защиты от несинхронной импульсной помехи в составе устройства, реализующего предлагаемый способ в общем случае;
- на фиг.4 - структурно-функциональная схема блока защиты от несинхронной импульсной помехи в составе устройства, реализующего предлагаемый способ в частном случае;
Ф
- на фиг.5 - сравнительные кривые потерь чувствительности по заявляемому способу и способу-прототипу при базе сигнала D=28 и порядке фильтра МПО Р=7;
Ф
- на фиг.6 - сравнительные кривые потерь чувствительности по заявляемому способу и способу-прототипу при базе сигнала D=89 и порядке фильтра МПО Р=7.
На фиг.2 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где приняты следующие обозначения:
1 амплитудный ограничитель (АО);
2 оптимальный фильтр (ОФ);
1
3 амплитудный детектор (АД);
4 блок некогерентной обработки с попарным отбором по минимуму из двух для взвешенных сигналов (НОПОМД);
5 блок защиты от несинхронной импульсной помехи (ЗНИП);
6 фильтр межпериодной обработки (МПО).
1
Как видно из фиг.2, в состав устройства, реализующего предлагаемый способ, входят последовательно соединенные ЗНИП 5, МПО 6, АО 1, ОФ 2, АД 3, НОПОМД 4.
Структура цепочки: АО, ОФ и АД с точки зрения функциональных связей этих блоков известна (см. справочник «Радиоэлектронные системы: основы построения и теория». Под ред. Я.Д. Ширмана. М., ЗАО «Маквис», 1998, с.407). Работа блока НОПОМД описана в патенте РФ №2334247 (МПК G01S 13/02, G01S 13/58, авторы Лукьянов С.Ф., Герасимов С.Н., Шаронов В.В.) и на листе 2 настоящего описания (прототип).
На фиг.3 приведена структурно-функциональная схема блока защиты от несинхронной импульсной помехи (ЗНИП) 5 в общем случае, где обозначены:
7 блок вычитания сигнала местных предметов;
2
8 амплитудный детектор (АД);
9 пороговое устройство (ПУ);
10 формирователь порога обнаружения (ФПО);
11 мультиплексор (MUX);
12 блок поиска коррелированного значения;
13 скользящее окно анализа на базе линии задержки (ЛЗ).
2
При этом блок ЗНИП 5 в общем случае состоит из ЛЗ 13, вход которой соединен с выходом фазового детектора, а выход - с входами блоков вычитания сигналов местных предметов 7, поиска коррелированного значения 12 и с третьим входом мультиплексора 11. Выход блока вычитания местных предметов 7 соединен со входом АД 8, выход которого соединен с первым входом ПУ 9 и с его вторым входом через блок формирования порога обнаружения 10. Выход ПУ 9 соединен с первым входом MUX 11, второй вход которого соединен с выходом блока поиска коррелированного значения 12, а его выход является выходом блока ЗНИП 5.
Существует множество схем, которые реализуют блоки вычитания сигналов от местных предметов 7, поиска коррелированного значения 12 и формирования порога обнаружения 10 (см. фиг.3).
Вычитание сигналов местных предметов может быть реализовано на основе вычитания постоянных составляющих из квадратур, череспериодного вычитания сигналов или аналогичных операций. Эта операция необходима для сохранения чувствительности обнаружения НИП в условиях наличия сигналов местных предметов или наличия постоянных составляющих в квадратурах и должна быть незначительно подвержена влиянию НИП. В частном случае применяется вычитание постоянных составляющих из квадратур. При этом постоянные составляющие в каждой квадратуре определяются как медианные оценки, поскольку они не подвержены влиянию НИП.
Поиск коррелированных значений необходим для определения составляющих сигналов местных предметов в случае их наличия и равен постоянным составляющим в квадратурах при их отсутствии. В частном случае коррелированными значениями являются медианные оценки в квадратурах, которые определяются в блоке вычитания постоянных составляющих.
Формирование порога обнаружения по критерию Неймана-Пирсона может быть реализовано на основе операций поиска арифметического среднего, медианной оценки или комбинаций этих операций. В частном случае выбрана операция на основе арифметического среднего, поскольку эта операция наименее требовательна к производительности вычислительных средств.
Выбор схем, реализующих вычитание местных предметов, поиска коррелированного значения и формирования порога обнаружения определяет требования к производительности вычислительных средств (или емкости программируемых логических интегральных схем) и эффективность защиты от несинхронных импульсных помех с точки зрения уменьшения потерь чувствительности при наличии множественных несинхронных импульсных помех или наличия сигналов местных предметов.
На фиг.4 приведена структурно-функциональная схема блока защиты от несинхронной импульсной помехи в составе устройства, реализующего предлагаемый способ в частном случае, где обозначены:
14 блок определения медианных оценок в квадратурных составляющих;
15 блок вычитания;
3
16 амплитудный детектор (АД);
17 блок оценки математического ожидания амплитуды сигнала (МО);
18 блок умножения на коэффициент К (X);
19 пороговое устройство (ПУ);
20 мультиплексор (MUX);
21 скользящее окно анализа на базе линии задержки (ЛЗ).
лт
<mrow><mi>К</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>ln</mi><msub><mi>F</mi><mrow><mi>л</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow>
Коэффициент К определяется в соответствии с критерием Неймана-Пирсона по заданной вероятности ложной тревоги F (при обнаружении НИП) как
(М.С. Каценбоген, «Характеристики обнаружения», М., «Советское радио», 1965 г., с.25).
3
При этом вход ЛЗ соединен с выходом ФД, а выход ЛЗ - с первым входом блока вычитания 15, с входом блока определения медианных оценок в квадратурных составляющих 14 и с третьим входом мультиплексора 20. Выход блока 14 соединен со вторым входом мультиплексора 20 и со вторым входом блока вычитания 15, а выход блока 15 соединен со входом АД 16, выход которого соединен со входом МО 17 и первым входом ПУ 19, причем выход МО 17 соединен со входом умножителя 18, выход которого соединен с вторым входом ПУ 19. Выход ПУ 19 соединен с первым входом мультиплексора 20, выход которого является выходом блока ЗНИП 5.
Ф
На фиг.5 и 6 изображены сравнительные графики потерь чувствительности по заявляемому способу (ΔQ2) и способу-прототипу (ΔQ1) при D=28 (на фиг.5) и при D=89 (на фиг.6) и порядке фильтра МПО Р=7, полученные путем математического моделирования. Как видно из этих фигур, потери чувствительности в заявляемом способе уменьшаются с увеличением количества N НИП, находящихся друг относительно друга по дальности не более чем на величину дальности, соответствующей длительности зондирующего импульса.
Предлагаемый способ защиты эхо-сигналов от несинхронных импульсных помех в приемном канале импульсно-доплеровских радиолокационных станций реализован в ряде серийно выпускаемых бортовых локаторов и работает следующим образом.
1
После обработки в фазовом детекторе ФД смесь эхо-сигналов и импульсных помех в общем и частном случае (фиг.2 и 3) направляют в блок ЗНИП 5, далее - в МПО 6, АО 1, ОФ 2, АД 3, НОПОМД 4 (фиг.2).
2
При прохождении через ЗНИП 5 (фиг.3) смесь эхо-сигналов, местных предметов и импульсных помех поступает на ЛЗ, в которой задержки равны периоду повторения зондирующих импульсов. После чего подается на блоки вычитания сигналов от местных предметов 7, поиска коррелированного значения 12 и мультиплексора 11. При этом блок вычитания местных предметов необходим для увеличения чувствительности блока ЗНИП в условиях наличия сигналов от подстилающей поверхности и местных предметов. С выхода этого блока смесь эхо-сигналов и импульсных помех проходит через АД и подается на ПУ 9 и ФПО 10. При наличии несинхронных импульсных помех с выхода порогового устройства выдается логическая единица и MUX 11 на выход пропускает коррелированное значение, иначе - значение входного сигнала. С выхода MUX 11 сигнал подается на фильтр МПО.
При прохождении через ЗНИП 5 (фиг.4) смесь эхо-сигналов и импульсных помех поступает в ЛЗ 21, в которой сигнал накапливается. С выхода ЛЗ сигнал подается парциально - с одного элемента по дальности - на блок определения медианных оценок в квадратурных составляющих, которые соответствуют сигналу местных предметов в случае их наличия и постоянным составляющим при их отсутствии. Далее в блоке 15 происходит вычитание составляющих местных предметов из входного сигнала и последующее амплитудное детектирование в блоке 16, на выходе которого производится анализ наличия НИП путем сравнения порога обнаружения с каждым из отсчетов сигнала в блоке 19. При этом порог обнаружения определяется по критерию Неймана-Пирсона и реализуется как математическое ожидание, вычисляемое для всех отсчетов сигнала в пределах одного элемента дальности в блоке 17, умноженное на коэффициент К в блоке 18. Далее во входном сигнале производится замена тех отсчетов, которые содержат НИП, на медианные оценки с помощью мультиплексора (блока 20). На его первый вход ADDR подается сигнал с выхода порогового устройства 19, на второй - медианные оценки в квадратурных составляющих, на третий - входной сигнал. При отсутствии НИП на первом входе мультиплексора 20 будет логический 0 и на его выход будет проходить входной сигнал, при наличии НИП - на адресном входе будет 1 и на выход будут проходить медианные оценки в квадратурных составляющих.
Таким образом, введение в схему устройства, реализующего представленный способ защиты эхо-сигналов от несинхронных импульсных помех в приемном канале импульсно-доплеровских радиолокационных станций, содержащую последовательно соединенные амплитудный ограничитель (АО), оптимальный фильтр (ОФ), амплитудный детектор (АД) и некогерентную обработку с попарным отбором по минимуму из двух для взвешенных сигналов (НОПОМД), последовательно соединенных блока ЗНИП и фильтра МПО, причем сигнал на блок защиты от НИП поступает с выхода фазового детектора, а с фильтра МПО - на амплитудный ограничитель, позволило уменьшить потери чувствительности в условиях наличия множественных несинхронных импульсных и взаимных помех.