УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ПОМЕХ
INTERFERENCE PROTECTION DEVICE

Изобретение относится к области радиолокации. Наиболее целесообразно применение предложенного устройства защиты от помех в многочастотных когерентно-импульсных РЛС с перестройкой частоты от импульса к импульсу.
Известно устройство в РЛС для уменьшения воздействия организованных помех /пат. США G01S 7/36 №3916406/. В состав РЛС входит система, предназначенная для уменьшения влияния мешающих сигналов, на ее работу. В состав системы входит устройство выделения сигналов помех, имеющее большую постоянную времени, и устройство перестройки частоты передатчика и приемника. Выход устройства выделения сигналов помех соединен со входом устройства запуска, которое включает устройство перестройки частоты при определенном уровне выходного сигнала устройства выделения сигналов помех. Кроме того, выход устройства запуска соединен со входом тактового устройства, которое управляет временем работы устройства перестройки частоты. Таким образом, устройство перестройки частоты автоматически включается при приеме интенсивного сигнала помехи и изменяет частоту приемопередатчика так, чтобы уменьшить влияние мешающего сигнала. Недостатком этого устройства является то, что перестройка ведется без предварительного измерения среднего уровня помехи во всем частотном диапазоне работы РЛС, поэтому не исключается возможность перестройки станции на частоту также с высоким уровнем мешающего сигнала, что не дает выигрыша при перестройке. Кроме того, большая постоянная времени схемы анализа уровня мешающего сигнала при перестройке, не позволяет изменять частоту РЛС от импульса к импульсу.
Известна РЛС, Джонсон М.А., Стоунер Д.С. “Средства радиопротиводействия с точки зрения разработки РЛС”, в которой в качестве устройства защиты от помех используется устройство адаптивной перестройки несущей частоты. В передатчике имеется устройство измерения среднего уровня АШП на всех рабочих частотах в каждом периоде зондирования, выход которого поступает на вход устройства выбора частоты с наименьшим средним уровнем активной шумовой помехи, с выхода этого устройства номер выбранной рабочей частоты поступает на передатчик, и следующий период станция излучает на этой частоте. /2/
Недостатком этого устройства, работающего при наличии заградительной шумовой помехи, является то, что в силу неизменности спектра помехи за время накопления пачки импульсов, из всего диапазона частот выбирается только одна частота с минимальной помехой, работа РЛС на одной частоте при обнаружении флюктуирующего полезного сигнала не обеспечивает оптимальных характеристик обнаружения.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство по авторскому свидетельству №1840903 «Устройство управления перестройкой частоты», состоящее из анализатора помех, вход которого является входом устройства, один выход которого соединен со входом схемы запрета, а выход последней с первым входом схемы разделения. Второй выход анализатора соединен с одним из входов схемы сравнения, выход которой через коммутатор и регистр соединен с одним из входов управляемого датчика случайных чисел /УДСЧ/, состоящего из запоминающего устройства, схемы сравнения, датчика случайных чисел и схемы совпадения, выход которого соединен со вторым входом схемы разделения. Первый, второй и третий выходы схемы управления соединены соответственно со входом схемы разделения и управляющими входами УДСЧ и анализатора. Выход схемы разделения поступает на передатчик. Устройство работает следующем образом: измеряет средний уровень активных шумовых помех /АШП/ и сравнивает его с порогом на всех рабочих частотах в каждом периоде зондирования. Номера рабочих частот, свободных от помех, запоминаются в регистре. Управляемый датчик случайных чисел формирует случайную последовательность номеров рабочих частот. Устройство осуществляет перестройку по случайному закону на частотах, свободных от помехи.
Недостатком этого устройства является то, что при наличии заградительной шумовой помехи /ЗШП/, перекрывающей весь частотный диапазон РЛС, порог всегда будет превышаться, и РЛС будет перестраивать рабочую частоту без учета уровня ЗШП на каждой частоте, что не обеспечивает оптимальных характеристик обнаружения.
Целью настоящего изобретения является повышение вероятности обнаружения полезного сигнала на фоне ЗШП, перекрывающей весь частотный диапазон РЛС, и, таким образом, увеличение дальности действия РЛС.
<mrow><mroot><mrow><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>ф</mi><mi>о</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup></mrow><mi>m</mi></mroot></mrow>
<mrow><msub><mi>J</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>G</mi><mn>1</mn></msub><mroot><mrow><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>ф</mi><mi>о</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup></mrow><mi>m</mi></mroot></mrow><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>m</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>m</mi></munderover><mrow><msub><mi>G</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow>
Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее анализатор помех, схему сравнения, коммутатор, регистр, схему разделения, управляемый датчик случайных чисел /УДСЧ/ и узел управления, причем входом устройства является вход анализатора помех, выход схемы сравнения через последовательно соединенные коммутатор и регистр соединен со входом управляемого датчика случайных чисел, выход которого через схему разделения связан со входом передатчика, первый, второй и третий выходы узла управления соединены соответственно с управляющими входами анализатора помех, УДСЧ и вторым входом схемы разделения введены узел ранжирована, оперативное запоминающее устройство /ОЗУ/, функциональный преобразователь
, вычислитель формулы
где
фо
L - коэффициент потерь при флюктуациях
m=1÷M - число участвующих в перестройке упорядоченных частотных каналов из общего числа M,
i
G - средний уровень помехи i-го упорядоченного частотного канала, причем анализатор помех через узел ранжирования соединен с информационным входом ОЗУ, выход которого соединен с одним из входов вычислителя, схемы сравнения и коммутатора, второй вход вычислителя соединен со входом функционального преобразователя, выход вычислителя соединен с информационным входом ОЗУ и со вторым входы схемы сравнения, а выход схемы сравнения дополнительно соединен со входом узла управления, четвертый и пятый выходы узла управления соответственно соединены с управляющими входами ОЗУ и функционального преобразователя.
При обнаружении сигналов от реальных целей при наличии ЗШП, существует оптимальное число частотных каналов, по которым необходимо осуществлять перестройку рабочих частот, что объясняется неравномерностью спектра ЗПШ в диапазоне частот РЛС. В этом случае режим перестройки оптимизируется как по полезному сигналу, так и по пометам. Неравномерность спектра помехи обычно обуславливается следующими факторами:
неидеальной стыковкой спектров передатчиков активных шумовых помех в случае, когда ширины спектра одного передатчика не хватает для прикрытия всего диапазона рабочих частот РЛС,
- частотной зависимостью диаграммы направленности антенн /ДНА/ постановщика активных шумовых помех и невозможностью постоянного удерживания ДНА в направлении на РЛС из-за вибраций и маневров постановщика;
- частотной зависимостью боковых лепестков ДНА РЛС, обусловленной как принципиальными факторами, так и влиянием близко расположенных предметов, как, например, земля, надстройки.
В этих условиях в спектре ЗШП обычно имеется несколько провалов, возможно близких по величине среднего уровня АШП. При выборе частотных каналов для работы РЛС необходимо оценить совместное влияние увеличения среднего уровня помехи за счет использования частотных каналов с неабсолютно минимальным уровнем помехи и увеличения среднего уровня полезного сигнала за счет использования эффекта многочастотности.
фо
<mrow><msub><mi>L</mi><mi>ф</mi></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>ф</mi><mi>о</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>m</mi></mfrac></mrow></msup></mrow>
Увеличение числа частотных каналов при перестройке улучшает сглаживание флюктуаций отраженного сигнала, что позволяет приблизить характеристики обнаружения флюктуирующих целей к характеристикам обнаружения идеальной нефлюктуирующей цели. Вишин Г.М. Многочастотная радиолокация [1] стр. 24. Выигрыш в отношении сигнал/шум, получаемый при этом, можно рассматривать как уменьшение коэффициента потерь при флюктуациях /1/ стр. 24. от величины L до величины
,
фо
где m - число частотных каналов, участвующих в перестройке, L - коэффициент потерь при флюктуациях, показывающий во сколько раз отношение сигнал/шум при обнаружении флюктуирующего сигнала цели должно быть больше, чем при обнаружении нефлюктуирующего сигнала цели с такой же средней эффективной отражающей поверхностью. Количественно этот выигрыш оценивается при перестройке с помощью специального коэффициента выигрыша:
<mrow><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>ф</mi><mi>о</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mi>ф</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>ф</mi><mi>о</mi></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>m</mi></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup><mo>=</mo><mroot><mrow><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>ф</mi><mi>о</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup></mrow><mi>n</mi></mroot><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>/</mo><mn>1</mn><mo>/</mo></mrow>
фо
фо
L вводится в расчет как априорно известная для конкретного отражающего объекта величина. При требовании обеспечения вероятности обнаружения цели Д=0,9-0,95 увеличение потерь из-за флюктуаций отраженного сигнала L может составить 4-12 дБ, в зависимости от характера отраженного объекта /1/ стр. 22.
С другой стороны, использование при перестройке РЛС частот с уровнем помехи, не являющимися абсолютно минимальными, приводит к ухудшению качества обнаружения полезного сигнала на фоне ЗШП в сравнении с работой на частоте с абсолютно минимальным уровнем помехи, что количественно можно оценить с помощью коэффициента
<mrow><msub><mi>K</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>G</mi><mn>1</mn></msub><mi>m</mi></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>m</mi></munderover><mrow><msub><mi>G</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>/</mo></mrow>
i
где G - средний уровень помехи /спектральная плотность мощности помехи/ i-го частотного канала, а m - число частотных каналов РЛС, участвующих в перестройке.
Результирующий выигрыш при перестройке по m оптимальным частотам определяется произведением коэффициентов:
<mrow><msub><mi>J</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>K</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>G</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>m</mi><mroot><mrow><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>ф</mi><mi>о</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup></mrow><mi>m</mi></mroot></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>m</mi></munderover><mrow><msub><mi>G</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>/</mo><mn>3</mn><mo>/</mo></mrow>
m
Конечным результатом расчета режима оптимальной перестройки является нахождение числа m-частотных каналов, перестройка по которым обеспечивает максимум величины J /3/ - выигрыша в отношении сигнал/помеха при накоплении пачки импульсов от цели.
На чертеже приведена структурная схема устройства. Устройство содержит анализатор 1 помех, узел 2 ранжирования, ОЗУ 3, вычислитель 4, узел 5 управления, схему 6 сравнения, функциональный преобразователь 7, коммутатор 8, регистр 9, управляемый датчик 10 случайных чисел /УДСЧ/, схему 11 разделения, причем вход анализатора 1 помех является входом устройства, выход анализатора 1 помех соединен со входом узла 2 ранжирования, выход узла 2 ранжирования соединен со входом ОЗУ 3, выход которого соединен с одним из входов вычислителя 4, схемы 6 сравнения и коммутатора 8; второй вход вычислителя 4 соединен со входом функционального преобразователя 7, выход вычислителя 4 соединен с информационным входом ОЗУ 3 и со вторым входом схемы 6 сравнения, выход схемы 6 сравнения соединен со входом устройства 5 управления и вторым входом коммутатора 8, выход коммутатора 8 через регистр 9 соединен со входом управляемого датчика 10 случайных чисел, выход которого соединен с одним из входов схемы 11 разделения, второй вход схемы 11 разделения соединен с выходом схемы 5 управления, второй, третий, четвертый и пятый выходы узла 5 управления соединены с соответствующими управляющими входами анализатора 1 помех УДСЧ 10, ОЗУ 3 и функционального преобразователя 7.
Конструктивно устройство может быть выполнено в виде отдельных съемных узлов, собранных в одну стойку. ОЗУ может быть выполнено на элементах серии 541РУ1. Функциональный преобразователь может быть выполнен как ПЗУ на элементах типа 556РТ4. Остальные узлы устройства могут быть выполнены как на элементах третьего или четвертого поколения - микросхемах серии 133, 530, 533, так и на микропроцессорных наборах серий 585, 589.
i
Устройство работает следующим образом: уровни помех G в каждом частотном канале изменяются анализатором 1 помех, узел 2 ранжирования записывает в ОЗУ 3 в порядке их возрастания вместе с номером соответствующего частотного канала.
Функциональный преобразователь 7 выдает на первый вход вычислителя 4 величину
<mrow><mroot><mrow><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>ф</mi><mi>о</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup></mrow><mi>m</mi></mroot><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>/</mo><mn>4</mn><mo>/</mo></mrow>
фо
i
2
2
1
m=1
2
2
3
2
3
2
3
2
n
n
<mrow><msub><mi>J</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>G</mi><mn>1</mn></msub><mroot><mrow><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>ф</mi><mi>о</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup></mrow><mi>m</mi></mroot></mrow><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>m</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munder><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow></munder><mrow><msub><mi>G</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow>
где L априорно известно для конкретного отражающего объекта /см. лит. 1, стр. 21-25/, а все выражение /4/ является функцией от количества каналов, по которым определяется выигрыш в отношении сигнал/шум. На второй вход вычислителя 4 из ОЗУ 3 поступает G. В вычислителе по формуле
определяется коэффициент выигрыша J /m=2/ в отношении сигнал/шум при равновероятной перестройке сначала по двум первым упорядоченным частотам. Коэффициент выигрыша J в схеме 6 сравнения сравнивается с коэффициентом J, который соответствует работе на одной частоте с абсолютным минимумом /J=1/. Если J больше единицы, то с выхода схемы 6 сравнения поступает разрешение через узел 5 управления на запись из ОЗУ 3 через коммутатор 8 в регистр 9 номеров первых двух упорядоченных частот, а J записывается в ОЗУ. На следующем шаге определяется выигрыш при перестройке РЛС по 3-м первым упорядоченным частотам, т.е. определяется J и сравнивается с J. Если J больше J, то в регистр 9 из ОЗУ 3 записывается третья упорядоченная частота, и коэффициент J переписывается в ОЗУ 3 вместо J. Процесс вычисления повторяется для m=4 и так далее до тех пор, пока не выполнится условие J≤J-1. В этом случае вычисления прекращаются и выходы регистра 9 с записанными в нем номерами оптимальных рабочих частот, перестройка по которым дает максимальный выигрыш, поступают на входы управляемого датчика случайных чисел.
Следует отметить, что в принципе можно исключить устройство ранжирования, однако при этом резко возрастает объем вычислений, поскольку поиск оптимальных частот в этом случае сводится к перебору всех сочетаний частот во всем частотном диапазоне РЛС, вычислению величины выигрыша по формуле /3/ для каждого сочетания и выбору сочетаний с максимальным значением.
фо
Для оценки технико-экономической эффективности был проведен ориентировочный расчет по формуле /3/ выигрыша при многочастотной /по m частотным каналам/ перестройке для коэффициента потерь L 4, 10, 12 дБ /1/. Уровни помехи в частотных каналах определены экспериментально по реальным постановщикам активных помех. Абсолютно минимальный уровень принят за единицу.
Результаты расчета приведены в Таблице 1.
№ эксперимента
№ частотного канала
Относительный уровень помех G<sub>i</sub>
Выигрыш J<sub>m</sub> для L<sub>фо</sub>=4-12 дБ
4 дБ /2,51 раза/
10 дБ /10 раз/
12 дБ /15,8 раз/
1
1
1
1
1
1
1
2
3
4
5
6
2
1,08
1,52
3,02
3,84
3
3,12
1,065
2,7
3,65
1
4
4
0,8
2,45
3,47
5
6
0,68
2,08
3,09
6
10
0,51
1,74
2,44
1
1
1
1
1
2
3,6
0,68
1,37
1,72
3
3,6
0,675
1,69
2,14
2
4
3,85
0,673
1,9
2,66
5
4
0,65
1,97
2,86
6
9
0,52
1,61
2,44
фо
фо
фо
фо
При первом эксперименте максимальный выигрыш /для L=4, 10, 12 дБ в 1,52; 3,02; 3,84 раза/ получается при перестройке по двум частотным каналам. Во втором эксперименте L=4 дБ максимальный выигрыш обеспечивается при работе на одной частоте, для L=10 дБ и L=12 дБ - при перестройке по пяти частотам /в 1,97 и 2,86 раза/. Поскольку дальность действия РЛС в случае несовмещения постановщика активных помех с целью пропорциональна корню четвертой степени из величины выигрыша в отношении сигнал/помеха, можно сделать вывод, что перестройка несущей частоты РЛС по оптимальному числу m частотных каналов при обнаружении флюктуирующей цели в условиях постановки активных шумовых помех дает возможность увеличить дальность действия РЛС в среднем на 20%, а в некоторых случаях - на 30%-40% без увеличения мощности передатчика РЛС.
Источники информации
1. Вишин Г.М. Многочастотная радиолокация. Военное изд-во МО СССР, 1973, с. 20-31.
2. Джонсон М.А., Стоунер Д.С. Средства радиопротиводействия с точки зрения разработки РЛС. Elektro/76, Boston, 1976, pp.305/1-305/31, Перевод № 558, УДК 623.321.391.325.
3.Бройде А.О., Скуратовская А.Б. Устройство управления перестройкой частоты, G01S 7/36, авт. свид. № 1840903.