УСТРОЙСТВО СОПРОВОЖДЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ ЦЕЛИ ИМПУЛЬСНО-ДОПЛЕРОВСКОЙ РЛС ПО СКОРОСТИ

Устройство относится к области радиолокации и, конкретно, к системам обработки квазинепрерывного радиолокационного сигнала с высокой и средней частотой повторения импульсов (ВЧПИ и СЧПИ) в импульсно-доплеровских РЛС. Устройство может быть использовано в наземных импульсно-доплеровских РЛС при сопровождении воздушных целей (ВЦ) на фоне интенсивных пассивных помех (ПП) различного происхождения.
В режимах излучения с ВЧПИ и СЧПИ имеется возможность осуществлять узкополосную доплеровскую фильтрацию отраженного ВЦ сигнала. В результате фильтрации обеспечивается когерентное накопление полезного сигнала и подавление мешающих сигналов, отраженных от поверхности Земли и ложных целей, а также решается задача непрерывного сопровождения ВЦ по доплеровским частотам (радиальной скорости движения ВЦ).
Известно устройство сопровождения ВЦ в режимах ВЧПИ и СЧПИ по скорости [1, с. 156].
пр
стр
стр
Работа известного устройства происходит следующим образом. Отраженный движущейся ВЦ радиосигнал, принимается антенной АН, усиливается, фильтруется и переносится на промежуточную частоту приемником (ПРМ). Импульсные сигналы U, промежуточной частоты с выхода ПРМ подаются на селектор дальности (СД), который открывается стробом U, совпадающим по времени с селекторным импульсом дальномера, т.е. в момент наличия сигнала от сопровождаемой ВЦ. В остальное время селектор закрыт. Строб U формируется в устройстве расстановки стробов (УРС).
пр
пр
дп ц
пр
дп ц
сбл
сбл
Выходной сигнал U широкополосной части ПРМ имеет частоту ƒ + ƒ, где ƒ - промежуточная частота, ƒ - 2V/λ - доплеровское смещение частоты сигнала, отраженного от ВЦ приближающейся (удаляющейся) к РЛС со скоростью V, при длине волны РЛС λ. С выхода СД сигнал поступает на первый вход смесителя (СМ). На второй вход СМ поступает гетеродинный сигнал с управляемого гетеродина (УГ), частота которого изменяется в соответствии с выражением
УГ
пр
УФ
дп э
ƒ=ƒ - ƒ - ƒ,
УФ
где ƒ - частота настройки узкополосного фильтра (УФ);
дп э
дп э
УГ
пр
дп ц
УГ
ƒ - экстраполированное значение доплеровского смещения частоты полезного сигнала. Изменение ƒ, а следовательно, и ƒ происходит под воздействием кода  формируемого цифровой вычислительной машиной (ЦВМ). В результате преобразования сигналов с частотами ƒ + ƒ и ƒ, на выходе СМ образуется сигнал с частотой
р
УФ
дп
ƒ=ƒ - Δƒ,
УФ
УФ
р
дп ц
дп э
дп
где  - разность доплеровских смещений частот сигналов, отраженного от ВЦ и его экстраполированного значения, которая затем поступает на УФ. Полоса пропускания Δƒ УФ обычно составляет сотни герц - единицы килогерц и определяет разрешающую способность РЛС при сопровождении ВЦ по скорости: δV=0,5λΔƒ. Сигнал на выходе УФ имеет вид непрерывного синусоидального сигнала с частотой ƒ. Если Δƒ ≠ Δƒ, то частота сигнала на выходе УФ будет отличаться от частоты настройки данного фильтра на величину Δƒ.
дп
ƒ
Выходной сигнал УФ поступает на частотный дискриминатор (ЧД), который преобразует рассогласование Δƒ в напряжение постоянного тока U на основе соотношения
ƒ
ЧД
дп
U=KΔƒ,
ЧД
т
где K - коэффициент передачи ЧД (крутизна дискриминационной характеристики ЧД). Выходным каскадом аналоговой части устройства слежения, является интегратор со сбросом (накопитель (Н)), управляемый тактовыми импульсами U ЦВМ. В результате дополнительного некогерентного накопления выходной аналоговый сигнал можно записать в виде
Н
где K - коэффициент передачи некогерентного накопителя;
ЧД
Н
ЧД
*
K=KK - приведенная крутизна дискриминационной характеристики ЧД.
Сигнал (1) преобразуется в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) в цифровую форму и далее обрабатывается в ЦВМ. Обозначим цифровой код данного сигнала как
ƒ
ЦП ƒ
ƒΣ
U(i)=KU(i),
ЦП ƒ
ƒ
где K=1/Δ - коэффициент передачи АЦП;
ƒ
ƒ
Δ - величина, численно равная единице младшего разряда цифрового кода U(i).
дп
Последующая фильтрация доплеровского смещения частоты ƒ осуществляется в ЦВМ по алгоритмам α-, β-фильтрации.
После завершения i-го такта вычислений по алгоритмам α-, β-фильтрации формируется экстраполированное значение доплеровского смещения частоты на (i+1)-й такт работы:
Т
где T - период экстраполяции;
- скорость измерения доплеровского смещения в текущий, i-й момент времени.
Код частоты  изменяет частоту сигнала УГ, подаваемого на СМ, обеспечивая настройку канала слежения на ожидаемое значение доплеровского смещения частоты сигнала, отраженного от ВЦ.
Для уменьшения боковых лепестков фильтра (УФ) используется взвешивание (временная весовая обработка) [2, с. 188, 3 с. 125], являющаяся причиной энергетических потерь сигнала (снижения отношения сигнал/шум), составляющих 2-3 дБ в зависимости от используемого весового распределения.
В качестве аналога выбрано рассмотренное устройство сопровождения ВЦ в режимах ВЧПИ и СЧПИ по скорости [1].
Технической задачей полезной модели является снижение энергетических потерь, причиной которых является весовая обработка принимаемых сигналов, проводимая для снижения уровня боковых лепестков (УБЛ) фильтра.
Техническая задача достигается использованием в составе устройства сопровождения ВЦ импульсно-доплеровской РЛС по скорости управляемого генератора весовых распределений (УГВР) и умножителя (УМ).
УГ
Под воздействием кода частоты  УГВР генерирует весовое распределение согласно известному способу [4], которое поступает на второй вход УМ. УМ производит умножение входного сигнала на весовое распределение. Генерируемое УГВР весовое распределение обеспечивает снижение УБЛ фильтра в заданном диапазоне доплеровских частот, таком, что его центру соответствует частота, задаваемая управляющим кодом. Таким образом, при сопровождении ВЦ, обеспечивается не только подстройка ƒ, но и задание такого весового распределения, при котором сигнал сопровождаемой ВЦ находится в центре диапазона сниженного УБЛ.
Устройство сопровождения ВЦ импульсно-доплеровской РЛС по скорости (фиг. 1), содержит АС 1, сигнал с которой поступает в ПРМ 2, затем в СД 3, который управляется УРС 9, получающим команды от ЦВМ13, СМ 5, выход которого соединен с последовательно включенными УФ 6, ЧД 7, Н 8 и АЦП 12, причем на Н 8 и АЦП 12 также поступают тактовые импульсы от ЦВМ, на один из входов СМ 5 подается сигнал от УГ 11, получающего код частоты от ЦВМ 13, выход АЦП 12 соединен с ЦВМ 13, отличающееся тем, что содержит УМ 4, включенный между СД 3 и СМ 5, и УГВР 10, получающий код частоты от ЦВМ 13 и подающий весовое распределение на УМ 4.
Полезная модель иллюстрируется следующими фигурами.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства сопровождения ВЦ импульсно-доплеровской РЛС по скорости.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - антенная система;
2 - приемник;
3 - селектор дальности;
4 - умножитель;
5 - смеситель;
6 - узкополосный фильтр;
7 - частотный дискриминатор;
8 - накопитель;
9 - устройство расстановки стробов;
10 - управляемый генератор весовых распределений;
11 - управляемый гетеродин;
12 - аналого-цифровой преобразователь;
13 - цифровая вычислительная машина.
На фиг. 2 приведен спектр аддитивной смеси ПП и сигнала движущейся ВЦ на выходе УМ 4.
На фиг. 2 приняты следующие обозначения:
а - пассивная помеха;
б - сигнал движущейся ВЦ.
На фиг. 3 приведена зависимость энергетических потерь весовой обработки от доплеровского смещения частоты полезного сигнала при ширине диапазона сниженного УБЛ 10 кГц в диапазоне значений центра диапазона сниженного УБЛ от 4 до 65 кГц.
Работа устройства сопровождения ВЦ импульсно-доплеровской РЛС по скорости осуществляется следующим образом.
пр
стр
стр
Принятый АС 1 сигнал, содержащий сигнал сопровождаемой ВЦ и ПП, поступает в ПРМ 2, где подвергается усилению, фильтрации и переносится на промежуточную частоту. С выхода ПРМ 2 импульсные сигналы U промежуточной частоты подаются на СД 3, который открывается стробом U, совпадающим по времени с селекторным импульсом дальномера, т.е. в момент наличия сигнала сопровождаемой ВЦ. В остальное время СД 3 закрыт. Строб U формируется УРС 9.
пр
пр
дп ц
дп ц
сбл
Выходной сигнал U имеет частоту ƒ+ƒ, где ƒ = 2V/λ - доплеровское смещение частоты сигнала, отраженного от ВЦ. С выхода СД 3 сигнал поступает на первый вход умножителя УМ 4, на второй вход которого поступает весовое распределение, синтезированное УГВР 10 в соответствии с частотой, заданной кодом  поступающим из ЦВМ 13.
Синтез весового распределения в УГВР производится следующим образом.
1). Рассчитываются элементы матрицы R
где
Δ - шаг дискретизации;
L - длина весового окна в дискретных отсчетах (нечетная).
2). Рассчитываются элементы вектора-столбца b
n
n
n
b=-F(L,R,k),
n
а
а
а
где k=, +Δ, +2Δ, …, b;
F - дискретный действительный спектр опорной функции
n
где k=0, Δ, 2Δ…(L-1)Δ, при
- параметр оконной функции, задающий УБЛ;
R - УБЛ в дБ (значение R целесообразно выбирать -29,32 дБ).
3). Рассчитывается вектор коэффициентов и модулирующей функции
4). Рассчитывается оконная функция
ch
где w - дискретная опорная оконная функция Дольфа-Чебышева, получаемая путем обратного быстрого преобразования Фурье (3).
Поскольку матрица R является вырожденной, при вычислении (4) необходима ее регуляризация путем добавления некоторой константы α к ее главной диагонали
R'=R+αI,
-8
-2
где α - коэффициент (выбирается экспериментально в диапазоне (10, 10));
I - единичная матрица.
С выхода УМ 4 взвешенный сигнал поступает на первый вход СМ 5. На второй вход СМ 5 поступает гетеродинный сигнал с УГ 11, частота которого изменяется в соответствии с выражением
УГ
пр
УФ
дп э
ƒ=ƒ-ƒ-ƒ,
УФ
где ƒ - частота настройки УФ 6;
дп э
дп э
УГ
пр
дп ц
УГ
ƒ - экстраполированное значение доплеровского смещения частоты полезного сигнала. Изменение ƒ, а следовательно, и ƒ происходит под воздействием кода  формируемого ЦВМ 13. В результате преобразования сигналов с частотами ƒ+ƒ и ƒ, на выходе СМ 5 формируется сигнал с частотой
р
УФ
дп
ƒ=ƒ-Δƒ,
УФ
УФ
р
дп ц
дп э
дп
где  - разность доплеровских смещений частот сигналов, отраженного от ВЦ и его экстраполированного значения, которая затем поступает на УФ 6. Полоса пропускания Δƒ УФ 6 обычно составляет сотни герц - единицы килогерц и определяет разрешающую способность РЛС при сопровождении ВЦ по скорости: δV=0,5λΔƒ. Сигнал на выходе УФ имеет вид взвешенного синусоидального сигнала с частотой ƒ. Если Δƒ ≠ Δƒ, то частота сигнала на выходе УФ 6 будет отличаться от частоты настройки данного фильтра на величину Δƒ.
дп
ƒ
Выходной сигнал УФ 6 поступает на ЧД 7, который преобразует рассогласование Δƒ в напряжение постоянного тока U на основе соотношения
ƒ
ЧД
дп
U=KΔƒ,
ЧД
т
где K - коэффициент передачи ЧД 7 (крутизна дискриминационной характеристики ЧД 7). Выходным каскадом аналоговой части устройства слежения, является интегратор со сбросом (накопитель (Н 8)), управляемый тактовыми импульсами U ЦВМ 13. В результате дополнительного некогерентного накопления выходной аналоговый сигнал
Н
где K - коэффициент передачи Н 8;
ЧД
Н
ЧД
*
K=KK - приведенная крутизна дискриминационной характеристики ЧД 7.
Сигнал (5) преобразуется АЦП 12 в цифровую форму и далее обрабатывается в ЦВМ 13. Цифровой код данного сигнала
ƒ
ЦП ƒ
ƒΣ
U(i)=KU(i),
ЦП ƒ
ƒ
где K=1/Δ - коэффициент передачи АЦП 12;
ƒ
ƒ
Δ - величина, численно равная единице младшего разряда цифрового кода U(i).
дп
Последующая фильтрация доплеровского смещения частоты ƒ осуществляется в ЦВМ по алгоритмам α-, β-фильтрации.
После завершения i-го такта вычислений по алгоритмам α-, β-фильтрации формируется экстраполированное значение доплеровского смещения частоты на (i+1)-й такт работы:
Т
где Т - период экстраполяции;
- скорость измерения доплеровского смещения в текущий, i-й момент времени.
Код частоты  изменяет частоту сигнала УГ 11, подаваемого на СМ 5, обеспечивая настройку канала слежения на ожидаемое значение доплеровского смещения частоты сигнала отраженного от ВЦ. ЦВМ 13 формирует оценку доплеровского смещения частоты полезного сигнала  используемую в других системах РЛС.
На фиг. 2 приведен пример спектра сигнала на выходе УМ 4 при наблюдении (сопровождении) ВЦ, имеющей доплеровское смещение частоты 25 кГц.
На фиг. 3 приведена зависимость энергетических потерь весовой обработки от доплеровского смещения частоты полезного сигнала при ширине диапазона сниженного УБЛ 10 кГц в диапазоне значений центра диапазона сниженного УБЛ от 4 до 65 кГц.
Как видно из приведенной на фиг. 3 зависимости, энергетические потери, причиной которых является весовая обработка принимаемых сигналов, зависят от доплеровского смещения частоты сигнала сопровождаемой ВЦ и снижаются с увеличением доплеровского смещения. В сравнении с часто используемым в подобных устройствах весовым распределением Дольфа-Чебышева, обеспечивающего УБЛ фильтра -90 дБ при энергетических потерях 2,7 дБ, предлагаемое устройство вносит потери от 0,6 до 2,7 в зависимости от доплеровского смещения частоты сигнала сопровождаемой ВЦ при обеспечении УБЛ фильтра менее -90 дБ, чем подтверждается технический результат.
Литература:
1. Многофункциональные радиолокационные системы: учеб. пособ. для вузов / П.И. Дудник, А.Р. Ильчук, Б.Г. Татарский; под ред. Б.Г. Татарского. - М.: Дрофа, 2007.
2. Справочник по радиолокации под ред. М.И. Сколника. Пер. с англ. Под общей ред. B.C. Вербы. Книга 1. М.: Техносфера, 2014.
3. Трухачев А.А., Радиолокационные сигналы и их применения. - М.: Воениздат, 2005.
4. Патент РФ №2594005. Способ обработки радиолокационного сигнала в импульсно-доплеровской РЛС.