УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ГРУППЫ ИЗ ДВУХ ИСТОЧНИКОВ НЕПРЕРЫВНОГО ШУМОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, НАХОДЯЩИХСЯ В ЛУЧЕ ФАЗОВОЙ СУММАРНО-РАЗНОСТНОЙ МОНОИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в моноимпульсных радиолокационных системах, предназначенных для обзора и сопровождения по угловым координатам радиолокационных объектов в условиях воздействия на них преднамеренных непрерывных шумовых помех.
Данное устройство позволяет при условиях, имеющих место на практике, обеспечить обнаружение в луче антенны моноимпульсной РЛС группу источников шумового излучения, в то время, когда типовым пеленгатором в этом случае групповой источник некогерентного излучения воспринимается как одиночный радиолокационный объект. Технический эффект в предлагаемом устройстве достигается использованием информации, в настоящее время пренебрегаемой в типовом моноимпульсном пеленгаторе, которая содержится в квадратурной составляющей нормированного разностного сигнала. Реализация предлагаемой полезной модели не требует конструктивных изменений в аппаратуре существующих пеленгаторов и сводится к введению в их состав дополнительного устройства обработки, подключаемого к выходу приемных каналов, что не нарушает нормального режима работы аппаратуры РЛС при сопровождении одиночных целей.
Известны варианты устройств [1 с. 165], предложенных с целью повышения угловой разрешающей способности пеленгатора по группе источников некогерентного излучения и использующих функциональную обработку сигналов. Принцип работы устройств основан на формировании оценок корреляционных и взаимных корреляционных функций сигналов, принятых многоканальной антенной, и последующем решении систем уравнений, описывающих эти функции.
Предложенные в данной работе варианты обработки сигналов носят общетеоретический характер и не учитывают особенностей практической реализации. Наиболее существенным является то, что реализация их связана с необходимостью использования специальной (нетиповой) многоканальной антенной системы, что в случае реализации вызовет трудности в обеспечении идентичности и стабильности характеристик приемных каналов [2].
Применительно к группе источников когерентного излучения известен способ и структурная схема устройства повышения угловой разрешающей способности моноимпульсной РЛС с использованием стробирования по углу [2, с. 109]. Основным элементом данного измерительного устройства, соответствующим одной плоскости пеленгации, является антенна с двумя рупорными облучателями, формирующими в пространстве две парциальные диаграммы направленности, которые возбуждаются одновременно соответствующими передатчиками, работающими на разнесенных частотах. Для приема отраженных сигналов использованы два приемника. Каждый из них построен по типовой двухканальной (соответственно для суммарного и разностного сигналов) схеме. Благодаря частотному разносу, фазовые детекторы приемных каналов формируют независимые напряжения сигнала угловой ошибки, которые содержат информацию об угловом положении групповой цели. С помощью специально вводимого суммарно-разностного устройства осуществляется формирование результирующего напряжения угловых ошибок. Нулевой сигнал ошибки служит критерием наличия в зондируемом пространстве одиночной цели. При наличии в неразрешаемом объеме пространства двух целей равенство нулю сигнала на выходе системы становится невыполнимым. Это является критерием наличия в зоне пеленгования групповой цели [2]. Принятие решения о характере цели осуществляется оператором на основе анализа флюктуации напряжения сигнала ошибки, наблюдаемых на экране осциллографа.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции (необходимость введения в РЛС дополнительного канала приемопередающей аппаратуры), отсутствие четкого количественного критерия обнаружения, а также субъективность оператора в принятии решения. Кроме того, система работоспособна только в следящем режиме, причем при условии точного совмещения оптической оси антенны с энергетическим центром отслеживаемой цели.
Наиболее близким к предлагаемому по способу и характеру решаемой задачи является устройство обнаружения группы из двух источников непрерывного шумового излучения, находящихся в луче амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы [3].
Особенностью этого устройства обнаружения является использование амплитудного метода пеленгации, при котором информация об источниках группы содержится в амплитудных различиях их сигналов на выходе приемных элементов антенны, имеющих общий фазовый центр. По этой причине подобное устройство непосредственно не может быть использовано при реализации фазового метода, основанного на использовании фазовых различий сигналов.
Основной целью предлагаемой полезной модели является повышение угловой разрешающей способности фазовой суммарно-разностной моноимпульсной системы. При условии нахождения в луче пеленгатора нескольких источников некогерентных (шумовых) помех, когда невозможно разрешение ни по дальности, ни по скорости, достижение указанной цели обеспечит повышение объективности в принятии решения о характере цели (одиночная - групповая).
Поставленная цель достигается тем, что в приемное устройство типовой фазовой суммарно-разностной моноимпульсной системы [2, с. 71], содержащее: антенну с двумя приемными элементами, фазовые центры которых разнесены в плоскости пеленгации на определенную базу, а соответствующие им лучи параллельны друг другу; суммарно-разностный преобразователь, формирующий три выходных сигнала (суммы и двух разностных - по углу места и азимуту); три смесителя и общий гетеродин; три усилителя промежуточной частоты (УПЧ), охваченных автоматической регулировкой усиления по сигналу суммы; два фазовых детектора, формирующих сигналы угловых ошибок по углу места и азимуту, дополнительно введено специализированное вычислительное устройство, содержащее трехканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и специализированное вычислительное устройство. На входы АЦП поступают радиочастотные сигналы с выхода УПЧ каналов угла места, азимута и суммы. АЦП осуществляет преобразование входных сигналов в соответствующие цифровые двоичные коды, которые затем подвергаются совместной обработке согласно разработанному алгоритму.
Структурная схема устройства, поясняющая алгоритм работы специализированного вычислительного устройства, показана на фиг.1.
Устройство содержит первый перемножитель 5, первый накопитель 6, первый формирователь модуля флюктуаций напряжения сигнала угловой ошибки (по углу места) 7, первый логарифмический функциональный преобразователь 8, формирователь разности 9, второй перемножитель 4, второй накопитель 10, второй формирователь модуля флюктуации напряжения сигнала угловой ошибки (по азимуту) 11, второй логарифмический функциональный преобразователь 12, формирователь модульного значения 13 и устройство сравнения (принятия решения) 14.
Отличительной особенностью предлагаемого устройства от устройства, рассмотренного ранее [3], является отсутствие каскада задержки.
Устройство работает следующим образом.
нч
0пч
нч
н
н
нч
Входы устройства подключаются к выходам УПЧ приемного устройства моноимпульсного пеленгатора параллельно основным элементам типовой структуры радиолокационной станции. Для реализации обработки входные радиочастотные сигналы преобразуются в АЦП в соответствующие цифровые двоичные коды. С выхода второго канала АЦП (1) сигнал суммы в качестве опорного поступает на перемножители (4 и 5) каналов угла места ε и азимута β. В результате перемножения опорного напряжения с разностными сигналами каналов ε и β, а затем интегрирования с помощью накопителей (6 и 10) на интервале времени T (1/f<<T<1/Δf), где Δf - полоса пропускания приемного тракта), выделяются низкочастотные флюктуации ортогональной или квадратурной (относительно используемой в типовых пеленгаторах) составляющей угловых ошибок комплексного пеленга цели каналов ε и β. Средние квадратические значения этих флюктуации зависят от интенсивности источников помеховых колебаний групповой цели и от углового расстояния между источниками (базы). Формирователи модульного значения или огибающих сигналов угловых флюктуации (7 и 11) обеспечивают на интервале времени наблюдения T (T>T) выделение в каждом из каналов (ε и β) уровней постоянного медленно изменяющегося напряжения пропорционального интенсивности угловых флюктуации. Вычитающее устройство (9) совместно с логарифмическими преобразователями амплитуды напряжений (8 и 12) реализуют операцию нормирования полученных значений. Эта операция снижает зависимость выходного сигнала схемы разности от интенсивности источников шумового излучения и обеспечивает зависимость входного напряжения устройства принятия решения только от соотношения угловых баз групповой цели в плоскостях ε и β. Формирователь модульного значения (13) выходного напряжения формирователя разности (9) независимо от соотношения значений угловых баз групповой цели в плоскостях ε и β формирует однополярное выходное напряжение. Устройство принятия решения (14) осуществляет сравнение входного напряжения с пороговым уровнем, сформированным в соответствии с используемым значением вероятности ложной тревоги. В результате сравнения согласно критерию Неймана-Пирсона принимается решение о наличии в луче РЛС групповой или одиночной цели.
н
н
Анализ результатов статистического испытания имитационной модели разработанного устройства подтверждает высокие показатели качества обнаружения групповой цели. На фиг.2, фиг.3, фиг.4 приведены графики кривых обнаружения (зависимости вероятности правильного обнаружения D от относительного значения угловой базы Δε при Δβ=0) группы из двух источников непрерывного шумового излучения для нескольких значений интенсивности помеховых колебаний, фиксируемых на входе устройства обработки сигналов . Здесь ,  - дисперсии колебаний i-го источника помехи и внутреннего шума приемника (i=1, 2; );
н
н
0,5P
Δε и Δβ - нормированные (отнесенные к ширине луча антенны РЛС θ) значения угловой базы группы соответственно в плоскостях ε и β. Графики, представленные на фиг.2, фиг.3, фиг.4, соответствуют частному случаю, взятому в качестве примера, когда равнофазное направление (РФН) антенны РЛС совмещено с направлением на источник под номером два (см. фиг.5, фиг.6).
0,5P
Анализ результатов моделирования показывает, что при произвольном угловом положении источников шумового излучения относительно РФН антенны (в пределах угла, соответствующего ширине главного лепестка по уровню половинной мощности θ) и прочих равных условиях вероятность обнаружения группы практически не отличается от тех значений, которые следуют из графиков на фиг.2, фиг.3, фиг.4.
Математическое описание алгоритма обработки сигналов, реализуемое в специализированном вычислительном устройстве приведено далее.
В луче фазовой суммарно-разностной моноимпульсной системы находятся два независимых источника шумового излучения - постановщика активных помех (ПАП). Равнофазное направление антенны пеленгатора в общем случае произвольно ориентировано относительно энергетического центра данной группы (см. фиг.5).
В этом случае сигналы парциальных каналов антенны применительно к одной плоскости пеленгации могут быть записаны в следующем виде:
;
,
где  - сигнал i-го источника излучения, соответствующий модели дельта коррелированного гауссового случайного процесса, i=1, 2;
и  - комплексные парциальные диаграммы направленности приемных каналов антенны, определяемые соотношениями:
Δφ - набег фазы принятого колебания с направления, отличающегося от направления нормали.
Введем дополнительное обозначение
i
где θ - угловое положение (относительно нормали к раскрыву антенны) i-го источника излучения, i=1, 2;
d - расстояние (база) между фазовыми центрами приемных элементов антенны.
Пренебрегая нормирующим влиянием инерционной АРУ приемного устройства, а также опуская множитель , суммарный и разностный сигналы на входе специализированного вычислительного устройства (на выходе каналов узкополосного приемного устройства) можно представить следующим образом:
Σ,Δ
Сигналы источников излучения  и собственного шума каналов приемника n(t) являются узкополосными нормальными случайными процессами с нулевым средним и соответствующими дисперсиями.
С целью установления функциональной связи параметров этих сигналов с используемой в предлагаемом устройстве квадратурной составляющей сигнала угловой ошибки пеленгатора рассмотрим случай, когда внутренним шумом каналов суммы  и разности  можно пренебречь (предполагается: для обоих источников излучения отношение помеха/внутренний шум существенно больше единицы). Тогда, переходя к тригонометрической форме представления, выражения (3) и (4) можно записать в виде:
i
o
i
где ; ; g=g(θ), i=1, 2;
1
2
S(t) и S(t) - случайные распределенные по закону Релея амплитудные множители сигналов источников помехи;
1
φ(t) и φ2(t) - случайные равновероятные в интервале [0, 2π] начальные фазы;
0
0пч
ω=2πf - среднее значение частоты, соответствующее полосе пропускания приемного устройства пеленгатора;
i
o
i
g=g(θ) - значение нормированной амплитудной диаграммы направленности, соответствующее направлению на i-й источник.
Используя (5) и (6), квадратурную составляющую угловой ошибки пеленгатора можно получить в следующем виде:
нч
0
нч
Здесь  - символ означает усреднение результата перемножения на интервале времени T, удовлетворяющем условию: 2π/ω<<T<1/Δf, где Δf - полоса пропускания приемного канала.
С учетом следующих соотношений:
1
2
1
2
; ; Δφ=φ(t)-φ(t); Δξ=ξ-ξ,
выражение (7) преобразуется к виду:
.
Заменяя Δξ, его значением с учетом выражения (2), огибающую квадратурной составляющей угловой ошибки пеленгатора можно представить в виде выражения:
.
i
i
При условии выполнения sin(θ)≈θ, что имеет место на практике, окончательно получим:
где  - угловая база (размер) группы источников излучения в рассматриваемой плоскости пеленгации.
н
н
нч
С точностью до константы выражение (8) характеризует огибающую выходного процесса накопителя, представленного на структурной схеме предлагаемого устройства (элементы 6 и 10, фиг.1). Формирователь модульного значения квадратурной составляющей угловой ошибки на интервале времени наблюдения T (T>>T) выделяет постоянную составляющую огибающей амплитудных флюктуации, уровень которой определяется значением угловой базы группы Δθ и произведением интенсивностей сигналов источников.
н
Используя оценки модульного значения квадратурной составляющей угловой ошибки для двух плоскостей пеленгации (ε и β), вычитающее устройство совместно с логарифмическими функциональными преобразователями позволяет на интервале времени T сформировать оценку значения выходного параметра согласно соотношению:
Следует заметить, что при записи выражения (9) из-за упрощений сделанных ранее, не учтены составляющие обрабатываемых колебаний, соответствующие перекрестным комбинациям собственного шума каналов приемника и источников помехи, которые в реальной ситуации имеют место. Поэтому при условии Δβ=0 реально имеем  и нормировка значения  происходит уровнем шумовых компонент (которые в выражении (9) не показаны), что в данном случае исключает ситуацию деления на ноль. И если при этом Δε≠0, то  и принимается решение - цель групповая. В случае одноточечного объекта, когда Δε=0 и Δβ=0, имеет место  и, следовательно, . Поэтому принимается решение - цель одиночная.
Работоспособность рассмотренного алгоритма подтверждается результатами статистического эксперимента, проведенного методом имитационного моделирования на ЭВМ с использованием математического пакета Matlab версии 7.5.0.
4
-2
-3
-4
1
пу
о
о
1
2
Методика исследований состояла в том, что для конкретных условий (количества источников шумового излучения в луче РЛС, их углового положения, интенсивностей излучаемых ими сигналов и т.д.) по совокупности из N=10 реализации были получены оценки гистограмм условной плотности вероятности W(α/q) выходного параметра  согласно выражению (8). Для принятых значений вероятности ложной тревоги F=10, 10 и 10 по результатам анализа гистограмм W(α/q=0) были рассчитаны соответствующие пороговые уровни обнаружения (α), используя которые затем согласно критерию Неймана-Пирсона были оценены показатели качества (условные вероятности правильного обнаружения D). Графики гистограмм и зависимости вероятности D от относительного значения угловой базы группы приведены на фиг.7, фиг.8, фиг.9 и фиг.2, фиг.3, фиг.4, соответственно. На рисунках фиг.7, фиг.8, фиг.9 ось абсцисс соответствует значениям нормированного параметра - α/σ. Здесь σ - среднее квадратическое значение α при условии q=q=0, т.е. когда выходной результат обработки сигналов обусловлен лишь внутренним шумом приемных каналов.
Единственным недостатком предлагаемой полезной модели является нечувствительность устройства к ситуации, когда угловые размеры групповой цели в плоскостях ε и β одинаковы т.е. при Δε/Δβ=1. В этом случае предлагаемое устройство принимает решение - «цель одиночная».
Устройство обнаружения группы из двух источников непрерывного шумового излучения, находящихся в луче фазовой амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы может быть изготовлено на известном оборудовании и известными промышленными средствами.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Царьков Н.М. Многоканальные радиолокационные измерители. - М.: Сов. радио, 1980, 192 с.
2. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1984. - 312 с., ил.
3. Пат. №100293 РФ. Устройство обнаружения группы из двух источников непрерывного шумового излучения, находящихся в луче амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы. / С.А.Кузьмин, A.M.Лаврентьев, Ю.Н.Маринцев, Е.Е.Цубанов, 2010.