Метод повышения углового разрешения обзорной моноимпульсной РЛС в условиях воздействия шумовой помехи

УДК 621.396.967

Метод повышения углового разрешения обзорной моноимпульсной РЛС в условиях воздействия шумовой помехи

Цубанов Е.Е.

Аннотация: В работе рассматривается метод повышения углового разрешения моноимпульсного радиолокатора, основанный на выделении амплитудной флюктуации сигнала угловой ошибки пеленгатора в момент одновременного приема полезного сигнала и помехи.

В статье рассмотрен алгоритм обработки, предложена структурная схема устройства, реализующего этот алгоритм в цифровом виде, приведены полученные в процессе статистического исследования показатели качества обнаружения, путем оценки коэффициента улучшения отношения сигнал-помеха проведен анализ ожидаемого выигрыша.

В выводах по работе отмечено, что рассмотренный алгоритм дополнительной обработки выходных сигналов приемника моноимпульсного пеленгатора позволяет обеспечить эффективное подавление шумовой помехи, повысить угловое разрешение пеленгатора на порядок выше предела, соответствующего критерию Релея, с точностью до элемента разрешения по углу и дальности получить оценку местоположения источника сигнала.

Ключевые слова: моноимпульсный радиолокатор, равносигнальное направление, шумовая помеха, угловое разрешение, пеленгационный рельеф.

Введение

Важным направлением совершенствования радиолокационного вооружения, использующего двухканальный прием сигналов, является повышение угловой разрешающей способности за счет более полного использования полезной информации, содержащейся в принимаемых колебаниях. Это тем более актуально, когда требуемый эффект может быть достигнут путем введения в существующий образец радиолокатора дополнительных устройств, что не требует значительных материальных затрат.

Известно большое количество технических решений, призванных обеспечить работу РЛС в условиях воздействия импульсной помехи с приемлемыми показателями качества. Однако, как правило, предлагаемые варианты защиты являются весьма сложными в реализации, требуют больших вычислительных или аппаратных затрат. Вместе с тем, можно утверждать, что ещё не исчерпан резерв более простых в реализации способов, в частности, основанных на извлечении той информации, которая в типовых РЛС не используется [1-4]. Так, в частности, с помощью приводимого ниже метода [4] имеется реальная возможность в режиме обзора по угловой координате заметно повысить информативность моноимпульсного пеленгатора в условиях воздействия помехи.

Цель данного исследования: проверить возможность повышения углового разрешения моноимпульсной системы в условиях воздействия шумовой помехи, оценить возможные значения показателей качества разрешения-обнаружения импульсного сигнала на ее фоне.

Постановка задачи.

Исходные условия исследования

Исследование проведено при следующих исходных условиях.

Двухканальная амплитудная суммарно-разностная моноимпульсная система в заданном секторе плоскости пеленгации осуществляет программный обзор пространства. Полагается, что в контролируемом секторе находится группа из двух независимых источников излучения: источника импульсного эхо-сигнала (модель одиночного прямоугольного радиоимпульса без внутриимпульсной модуляции со случайными амплитудой и начальной фазой) и источника мешающего сигнала - постановщика маскирующей шумовой помехи (модель непрерывного белого гауссовского шума). Источники излучения полагаются точечными. Относительное угловое положение источников характеризуется угловой базой Ав = вс — вп\ , величина которой не превышает

ширину луча антенны в0 5Р . Здесь вс (вп) -

угловая координата источника сигнала (помехи) относительно равносигнального направления (РСН) антенны.

Прием сигнала осуществляется на фоне шумовой помехи и внутреннего шума каналов с помощью типового приемного устройства, описанного в известной монографии [5, рис. 4.7]. Предполагается, что дополнительное специализированное вычислительное устройство (СВУ), реализующее исследуемый алгоритм, подключено непосредственно к выходам усилителей промежуточной частоты (УПЧ) суммарного и разностного каналов. В его составе последовательно соединены: двухканальный АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ПОС - процессор обработки сигналов, УПР -устройство принятия решения об обнаружении сигнала.

Предполагается, что пеленгатор использует антенную решетку с электронным перемещением луча в плоскости пеленгации. Для удобства и обеспечения наглядности принято, что ширина диаграммы направленности парциального канала антенны по уровню половинной мощности в0 5Р равна 20°. В процессе поиска

луч скачкообразно с шагом 0,5° перемещается в секторе ±30°. На интервале времени наблюдения угловые положения источников

в луче радиолокатора, задаваемые в процессе моделирования относительно биссектрисы сектора обзора, полагаются неизменными. При каждом фиксированном положении луча пеленгатор излучает последовательность из п радиоимпульсов с частотой повторения Fп = 1/ Тп . При этом обеспечивается статистическая независимость параметров сигнала, помехи и внутреннего шума в двух смежных интервалах наблюдения Тп.

Полагается также, что результирующее колебание на выходе каждого УПЧ приемника представляет собой наложение сигнала, помехи и внутреннего шума.

В каналах приемника с помощью квазиоптимального (в частности, гауссовского) фильтра осуществляется фильтрация сигнала. В результате помеха и шумы каналов на входе

модели дополнительного устройства представляют собой непрерывные узкополосные нормальные случайные процессы с нулевым средним. На интервале времени наблюдения они удовлетворяют условиям стационарности и эргодичности. В процессе моделирования параметры, характеризующие интенсивность помехи qп = и полезного сигнала qс = Ес/Ыш , оценивались при условии, когда источники излучения находятся на РСН антенны. Здесь Ес, Ып, Ыш - энергия сигнала и спектральная плотность мощности помехи и внутреннего шума, соответствующие выходу УПЧ суммарного канала.

Алгоритм дополнительной обработки сигналов, реализуемый ПОС, сводится к последовательному выполнению трех наиболее существенных операций.

Нормировка. Она реализуется путем операции деления /значений дискретных отсчетов процесса суммарного канала на одноименные отсчеты дискрет процесса разностного канала.

Низкочастотная фильтрация на интервале времени, соответствующем элементу разрешения по времени запаздывания, и выделение флюктуационной составляющей. Эта операция равносильна некогерентному внутриимпульс-ному накоплению сигнала.

Некогерентное межпериодное накопление. Реализуется путем вычисления среднего арифметического значений отсчетов огибающей сигнала по совокупности из п независимых реализаций (п периодов зондирования).

В итоге с физической точки зрения формируемый алгоритмом процесс а характеризует оценку среднего значения огибающей флюкту-ационной составляющей сигнала, обратного значению угловой ошибки относительно пеленга источника излучения.

В процессе обзора углового сектора Авобз модель ПОС в соответствии с алгоритмом формирует оценку результатов наблюдения в виде реализации процесса а, являющегося функцией двух переменных а(tз, в). Здесь 1з-значение текущего времени запаздывания эхо-сигнала, в - текущее угловое положение РСН антенны.

Результат обработки сигналов, представляемый в виде функции а(tз, в), может интер-

претироваться как угломерно-дальномерныи рельеф. Следовательно, для фиксированного значения t3, соответствующего контрольному элементу разрешения по времени запаздывания (по дальности), зависимость а(в) может рассматриваться как пеленгационный рельеф, а для в = const a(t3) - дальностный рельеф.

Результаты моделирования алгоритма работы СВУ

Результаты моделирования приведены на рис. 1 и рис. 2.

На рис. 1 для времени запаздывания t з = t зс показаны нормированные графики пеленгаци-онного рельефа а(в) при условии, когда в секторе обзора одновременно находятся оба источника излучения. Для указанных условий эти результаты позволяют получить оценки углового положения раздельно для каждого из источников излучения.

<1„ = 43дБ; q= = 5 0 дБ; 9П=-У. 9. =+3°;

-10 О 10

Угол, градусы

ffl/ctmai

J3

£ оэ i et

I 07

9u

5"

g 0.5 к 0.4

8 о.з

cu

I 0.2 g"

3 0.1

-30 -20 -10 0 10 20 g Угол, градусы

Рис. 1. Графики пеленгационного рельефа

ния» показан вид нормированного двумерного рельефа - а(^,в). С целью обеспечения наглядности рельеф показан для двух ракурсов.

Следует заметить, что приведенные на рис. 1 и рис. 2 результаты соответствуют особенностям реализации алгоритма, которые рассмотрены в работе [4].

Как показали дальнейшие исследования, весовая обработка процесса а(^,в) в дополнение к приведенным выше результатам позволила расширить возможности алгоритма, в частности, обеспечить подавление помехи практически до уровня фона угломерно-дальномерного рельефа. Эти результаты представлены на рис. 3 и рис. 4.

Так, на рис. 3 приведены графики зависимости отношения сигнал/фон (или, что то же самое - сигнал/помеха) на выходе ПОС от углового положения РСН антенны относительно пеленга помехопостановщика. Они получены

для условия n = 1 серий из N = 10 испытаний.

На рис. 2 для угловой базы АО = 0,2005Р и n = 102 в координатах «угол-время запаздыва-

Видно, что, если РСН относительно пеленга источника помехи смещено на (О,1-О,3)0О5Р, то для указанных условий может быть получен коэффициент улучшения отношения сигнал/помеха не менее 30 дБ. Минимальная угловая база, при которой еще может быть обеспечено выделение полезного сигнала, определяется шириной провала в графиках этих зависимостей. Для приведенных условий эта величина не превышает значения 0,05005Р, что в первом приближении и характеризует разрешающую способность алгоритма.

Чп =^ОдБ.

Чс = 30дБ;

9= 0рсн — &i,

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 (уе Нормированное значение угла

qn = 70Дб,

Чс = ЗОдБ, 0 = Эрсн — &I .

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 д/0;|,

Нормированное значение угла Рис. 3. Графики зависимости отношения сигнал-фон

Вид двумерного рельефа процесса а(^,в), соответствующий варианту весовой обработки, показан на рис. 4.

Анализ приведенных результатов показывает, что алгоритм обеспечивает эффективное подавление помехи до уровня фона, что и позволяет выделить импульсный сигнал. Характер поверхности фона и его относительный уровень зависят от значений qп и qс, а также параметра п. Длительность огибающей сигнала по

углу в сравнении с ранее показанным (см. рис. 1) возросла, однако при этом она не превышает значения 005Р. Положение максимума огибающей а(^,в) по угловой координате может быть принято за оценку пеленга вс. Провал, имеющий место в огибающей сигнала, есть следствие избирательного по углу подавления помехи. Угловое положение этого провала характеризует оценку пеленга источника помехи вп . Ширина провала в основном зависит от соотношения значений qп и qс.

Эти результаты свидетельствуют о возможности практического использования зависимости а(^,в) для формирования оценок местоположения излучателей сигнала ((з, вс) и помехи (вп).

о -10 .20

Угол, градусы

а) д„ = 50 дБ

400(

Время, и

30 20 10 о -10 Угол,градусы

б) С{„ = 70 дБ Рис. 4. Вид рельефа а(^,в) для условий

п = 102, qс = 30 дБ, вс = 0, вп = +4°

С целью исследования статистических характеристик обнаружения для углового направления в = вс и времени запаздывания

t з = tзс проведены оценка и анализ зависимо-

сти показателей качества от энергетических характеристик сигнала, и как результат, согласно критерию Неймана-Пирсона, получены графики кривых обнаружения. Эти графики представлены на рис. 5. Они получены путем расчета огибающих гистограмм плотности вероятности w(a¡qc) распределения параметра а для серии испытаний объема N = 105 и двух альтернативных условий: при отсутствии (Чс = 0) и наличии сигнала ^с Ф 0) в контрольном элементе разрешения по времени запаздывания.

Интенсивность сигнала б)

Рис. 5. Кривые обнаружения сигнала в зависимости от его интенсивности

Анализ этих графиков показывает, что для значений ложной тревоги F = 10-3 и угловой базы Дв/в05Р = 0,1 принятие решения об обнаружении сигнала в контрольном элементе разрешения по результатам зондирования одиночным импульсом (п = 1) обеспечивается с вероятностью D > 0,5 при условии, когда помеха на входе ПОС превышает сигнал более, чем

на 20 дБ (см. рис. 5, а). При пачечном сигнале, например, для п = 10, те же показатели могут быть обеспечены при превышении помехи над сигналом более чем на 40 дБ (рис. 5, б).

Важной особенностью и соответственно достоинством исследуемого алгоритма является то, что при использовании весовой обработки и условии, когда qп > 40 дБ, пороговый уровень устройства принятия решения практически не зависит от интенсивности помехи.

Время задержки, мкс

а) qс = 0, qп = 0

Время задержки, мкс

б) qс = 0, qn = 30 дБ, вп = +4° Рис. 6. Вид экрана при условии п = 102

При аналоговом варианте реализации оконечное устройство, в частности, УПР может быть выполнено традиционно - на основе ос-циллографического индикатора с растровой разверткой луча и яркостной отметкой сигналов. В этом случае процедура формирования а может быть заменена накоплением сигнала на экране индикатора за счет эффекта его послесвечения. Это обеспечит большую наглядность, позволит на экране в координатах «дальность-угол» («г-0») наблюдать результа-

ты обзора пространства, принимать решение об обнаружении и проводить оценку параметров , вс источника сигнала и вп источника помехи.

Вид экрана подобного индикатора для характерных условий приведен на рис. 6-8.

Так, для примера, на рис. 8 показан вид экрана индикатора для случая наблюдения на фоне интенсивной маскирующей шумовой помехи сигнала групповой цели, состоящей из двух объектов - независимых источников импульсных сигналов.

Время задержки, мкс

а) на выходе канала суммы (амплитудного детектора) приемника типовой РЛС

Время задержки, мкс

б) на выходе ПОС Рис. 7. Вид экрана при условии п = 102, qс = 30 дБ, вс = +2° и qn = 70 дБ, вп = -2°

Выводы

Анализ результатов моделирования алгоритма, реализующего разработанный метод обработки сигналов, позволяет сделать следующие выводы.

1. Исследуемый алгоритм дополнительной обработки сигналов приемного устройства амплитудной суммарно-разностной обзорной моноимпульсной системы в условиях воздей-

ствия по главному лепестку диаграммы направленности антенны непрерывной шумовой помехи при соблюдении определенных условий позволяет повысить угловое разрешение пеленгатора выше предела, соответствующего критерию Релея.

2. При условии, когда помеха по интенсивности существенно превышает импульсный сигнал, и традиционная обработка принятого колебания не позволяет его выделить, данный алгоритм за счет подавления помехи может обеспечить выделение (обнаружение) сигнала и с точностью до элемента разрешения по углу и времени запаздывания обеспечить получение оценки местоположения его источника.

Время задержки, мкс а) n = 1

Время задержки, мкс б) п = 10

Рис. 8. Вид экрана при условии qс1 = 30 дБ,

0с1 = +2°, /з1 = 1,8 мс, qс2 = 30 дБ, вс2 = -6°, 1з2 = 2,4 мс и qn = 70 дБ, вп = -2°

3. Эффективность подавления помехи и показатели качества обнаружения сигнала зависят от относительных значений интенсивно-стей их источников, а также их взаимного уг-

лового положения и положения равносигналь-ного направления антенны относительно источника помехи.

4. При работе пеленгатора по одиночному источнику (как когерентного, так и некогерентного) излучения алгоритм создает возможность для получения более точных оценок его углового положения.

Литература

1. Кузьмин С.А., Лаврентьев А.М., Маринцев Ю.Н., Цубанов Е.Е. Устройство обнаружения группы из двух источников непрерывного шумового излучения, находящихся в луче амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы: пат. 100293 Рос. Федерация. №2010109713; заявл. 15.03.2010.

2. Кузьмин С.А., Лаврентьев А.М., Цубанов Е.Е. Устройство обнаружения импульсного эхо-сигнала

Поступила 03 ноября 2013 г.

Информация об авторе

Цубанов Евгений Ефимович - служащий ВС РФ, преподаватель кафедры радиотехнических систем (ВКО), Филиал Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского (г. Ярославль).

E-mail: tzubanoff. evgeny@yandex.ru.

Адрес: 150001, г. Ярославль, Московский проспект, д. 28.

English

Estimating moment the location of an object between the transmitter and receiver in forward-scattering radar systems

Evgeniy Efimovich Tsubanov - lecturer at department of radiotechnic systems, branch of the A.F. Mozhaiskiy Military Space Academy (Yaroslavl).

Address: 150001, Yaroslavl, Moscow Avenue, 28. Abstract: One of the relevant directions of radar equipment enhancement is its angular resolution increasing. It is especially relevant in case of malicious disabling noise interference affecting the radar. The paper shows that the problem can be solved by the additional processing of the received oscillations and the extraction of the information which is not in use at the moment. The method of selection of the desired impulse signal from the continuous noise interference which affects the monopulse radio locator through the main lobe of a directional diagram. The method is based on the selection procedure of the signal amplitude fluctuation of direction finder angle error occurring at the moment of simultaneous reception of a desired signal and an interference. The proposed algorithm requires successive implementation of the three most essential operations: process discrete counting ratings of cumulative channel by similar ratings of the difference channel discrete process, incoherent intrapulsing signal accumulation and incoherent interperiodic accumulating. The paper considers the processing algorithm, the construction pattern of the device implementing this algorithm in a digital form is suggested, the detection quality values received in the course of statistical investigation are given, the analysis of the expected benefits is conducted by evaluating signal-to-noise ratio improvement factor. For the case of simultaneous monitoring of the signal sources and the interference the paper includes output direction-finding relief diagram, alternatives of a two-dimensional relief view of the output result in co-ordinates «an angle - time delay», detection curve charts at a single and train probing signal, alternatives of a raster-type variable-intensity indicator in conventional processing and on the basis of suggested method. It is concluded that the considered algorithm of additional processing of output signals of multipulse direction finder receiver allows: to provide effective noise interference cancellation; to enhance angular resolution of a direction finder 10 times higher

в условиях воздействия шумовой помехи по главному лепестку диаграммы направленности антенны моноимпульсной РЛС: пат. 102390 Рос. Федерация. №2010135257; заявл. 23.08.2010.

3. Кузьмин С.А., Лаврентьев А.М., Маринцев Ю.Н., Цубанов Е.Е. Устройство повышения углового разрешения амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы: пат. 0119126 Рос. Федерация. №2012100883/07; заявл. 18.01.2012.

4. Лаврентьев А.М., Цубанов Е.Е. Результаты исследования возможности повышения углового разрешения типовой обзорной моноимпульсной РЛС в условиях воздействия шумовой помехи. // Докл. VI Всерос. научно-техн. конф. «Радиолокация и радиосвязь». М.: ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 19-22 ноября 2012, Т. 1. С. 390-394.

5. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1984. 312 с.

than the limit corresponding to of Rayleigh criterion; to locate the signal source to resolution element by angle and distance.

Key words: monopulse radar, equisignal direction, noise nuisance, angular resolution, DF relief.

References

1. Kuzmin S.A., Lavrentyev A.M., Marintsev Yu.N., Tsubanov E.E The Device for Detecting a Bunch of Two Continuous Noise Radiation Sources in a Ray of the Amplitude Total - Difference Monopulse System: pat. 100293 Rus. Federation. №2010109713; appl. 3/15/2010.

2. Kuzmin S.A., Lavrentyev A.M., Tsubanov E.E. The Device for Detecting Pulsing Echo Signal under Conditions of Noise Interference Affecting the Main Lobe of a Directional Pattern of the Monopulse Radar Antenna: pat. 102390 Rus. Federation. №2010135257; appl. 8/23/2010.

3. Kuzmin S.A., Lavrentyev A.M., Marintsev Yu.N., Tsubanov E.E. The Device for Increasing Angular Resolution of the Amplitude Cumulative- Difference Monopulse System: Patent. 0119126 Rus. Federation. №2012100883/07; appl. 1/18/2012.

4. Lavrentyev A.M., Tsubanov E.E. Research Results of Angular Resolution Enhancement Possibility of the Sample Survey Monopulse Radar Station under Conditions of Noise Interference Affecting. // Reports. VI All-Rus. scientific. Conf. «Radiolocation and Radio Communication». M.: IRE named after V.A. Kotelnikov the Russian Academy of Sciences, November 19-22 2012, V. 1. Pp. 390-394.

5. Leonov A.I., Fomitchyov K.I. Monopulse Radiolocation. 2nd(2) ed., revised. M.: Radio and Communicaion, 1984. 312 p.