Радиоприемное устройство импульсно-доплеровской РЛС с многообзорным накоплением сигнала

Устройство относится к области радиолокации и, конкретно, к системам многообзорной обработки радиолокационного сигнала в режиме высокой частоты повторения импульсов. Радиоприемное устройство может быть использовано в наземных и авиационных импульсно-доплеровских РЛС обнаружения движущихся наземных (надводных) и воздушных объектов.
Известно устройство корреляционно-фильтровой обработки квазинепрерывного сигнала [1, с. 117], состоящее из преселектора, смесителя, гетеродина, набора идентичных каналов дальности и сумматора. Каждый из каналов дальности в свою очередь состоит из двух умножителей стробирования по дальности, набора каналов радиальной скорости и сумматора. Канал радиальной скорости состоит из последовательно включенных узкополосного фильтра, детектора огибающей и порогового устройства. Устройство корреляционно-фильтровой обработки квазинепрерывного сигнала реализует когерентный оптимальный прием сигнала и предназначено для обнаружения сигнала при условии его нахождения в одном из каналов дальности и радиальной скорости в течение времени когерентного накопления. Недостатком устройства является невозможность накопления сигнала в течение длительного времени (между обзорами одной области пространства), поскольку параметры наблюдаемого сигнала (направление прихода, задержка и доплеровский сдвиг) изменяются.
Известен двухуровневый (бинарный) накопитель сигнала, который может быть применен для решения задачи многообзорного накопления сигнала [2, с. 245]. Такой накопитель состоит из аналого-цифрового преобразователя, регистров со сдвигом и логического устройства «n и более из k». В регистрах со сдвигом в двоичной форме хранятся результаты сравнения сигнала с первичным порогом. Выходы регистров соединены с логическим устройством. Решение о наличии сигнала принимается логическим устройством по критерию «n и более из k». Такой накопитель используется для обнаружения сигнала при многообзорном наблюдении, когда в каждом обзоре производится сравнение сигнала с первичным порогом [3, с. 311]. Первым недостатком бинарного накопителя являются сопутствующие потери сигнала [1, 2]. При бинарном многообзорном накоплении необходимо однозначное измерение координат цели в каждом обзоре с целью их траекторной фильтрации (выставления стробов). Известно [1, 2], что особенностью импульсно-доплеровских РЛС в режиме высокой частоты повторения импульсов является неоднозначность оценки дальности цели (задержки сигнала), что делает невозможным многообзорное накопление сигнала без устранения неоднозначности измерения дальности получаемых отметок в каждом обзоре, что является вторым недостатком двухуровневого многообзорного накопления сигнала в импульсно-доплеровской РЛС.
Таким образом, общим недостатком известных устройств является невозможность реализации многообзорного накопления сигнала в импульсно-доплеровской РЛС, работающей в режиме обзора.
В качестве наиболее близкого аналога выбрано известное устройство корреляционно-фильтровой обработки квазинепрерывного сигнала [1, с. 117].
Технической задачей полезной модели является повышение качества обнаружения движущейся цели импульсно-доплеровской РЛС за счет многообзорного накопления сигнала при неоднозначном измерении дальности цели в одном обзоре.
Техническая задача решается использованием в составе приемного устройства аналого-цифрового преобразователя и набора каналов обнаружения, реализующих экстремальное многообзорное накопление-обнаружение сигнала при обратной экстраполяции стробов дальности.
Под экстремальным межобзорным накоплением-обнаружением сигнала понимается формирование достаточной статистики как суммы максимальных (экстремальных) значений сигнала из выборок одного и того же канала радиальной скорости (узкополосного фильтра), полученных за М обзоров, на основе гипотезы о том, что сигнал цели присутствовал в этих обзорах. Таким образом, экстремальное накопление, в отличие от бинарного, предполагает формирование достаточной статистики по совокупной обработке «мягких» решений в каждом обзоре.
Под обратной экстраполяцией строба дальности понимается оценка интервала дальностей, в котором цель находилась заданное время назад с высокой вероятностью (строба дальности), на основе текущей оценки ее дальности и радиальной скорости при заданной гипотезе ее движения. Обратная экстраполяция требует обработки сигнала принятого в прошлых обзорах.
Многообзорное накопление происходит при условии нахождения обнаруживаемого сигнала (сигнала цели) в одном угловом направлении и одном канале радиальной скорости (доплеровском фильтре) в течение двух и более обзоров, при этом достигается выигрыш в отношении сигнал/шум (ОСШ), что обеспечивает более высокую вероятность обнаружения сигнала. При невыполнении данного условия многообзорное накопление не происходит, но сигнал может быть обнаружен при более высоком ОСШ.
Накопление сигнала производится на основе гипотезы о прямолинейном и равномерном движении цели путем обратной экстраполяции строба дальности.
Примененный в устройстве принцип многообзорного накопления позволяет накапливать сигнала при работе импульсно-доплеровской РЛС в режиме обзора без необходимости устранения неоднозначности измерения дальности в каждом обзоре. В отличие от аналога, в предлагаемом приемном устройстве в каналах обнаружения гипотеза о наличии полезного сигнала возникает для каждого канала радиальной скорости в каждом угловом направлении и проверяется в текущем и последующих обзорах. Формирование гипотезы состоит в отборе значения сигнала по критерию максимальной амплитуды из выборки, а не по критерию превышения порога.
Решение о наличии сигнала (цели) производится по сумме максимальных значений, полученных в ряде последовательных обзоров, путем ее сравнения с пороговым значением. Пороговое значение выбирается по критерию Неймана-Пирсона (фиксация вероятности ложной тревоги).
Также в радиоприемном устройстве предусмотрена защита от возникновения ложных обнаружений и множественных ложных обнаружений одного сигнала. Защита достигается ограничением амплитуды сигналов при накоплении (суммировании).
Предлагаемое радиоприемное устройство корректно функционирует при наличии одной цели (одного сигнала) в одном из каналов дальности одного канала радиальной скорости.
Радиоприемное устройство импульсно-доплеровской РЛС с многообзорным накоплением сигнала содержит последовательно соединенные предварительный селектор, смеситель с подключенным к нему гетеродином и набор каналов дальности, каждый из которых состоит из умножителя стробирования и набора каналов радиальной скорости. Отличается от аналога тем, что содержит аналого-цифровой преобразователь, вход которого подключен к выходу смесителя, а выход к набору каналов дальности, каждый канал дальности состоит из умножителя стробирования и набора каналов радиальной скорости. Каждый канал радиальной скорости состоит из узкополосного фильтра и детектора огибающей. Выходы детекторов огибающей каналов одной радиальной скорости соединены с входами канала многообзорного накопления сигнала. Выходы каналов многообзорного накопления сигнала соединены с логическим блоком «ИЛИ».
Полезная модель иллюстрируется следующими фигурами.
Фиг. 1 - структурная схема радиоприемного устройства импульсно-доплеровской РЛС с многообзорным накоплением сигнала. На схеме обозначены:
1 - преселектор;
2 - смеситель;
3 - гетеродин;
4 - аналого-цифровой преобразователь;
5.1-5.n - умножители стробирования по дальности;
6.1.1-6.n.q - узкополосные фильтры;
7.1.1-7.n.q - детекторы огибающей;
8.1-8.q - каналы многообзорного накопления сигнала;
9 - логический блок «ИЛИ».
Фиг. 2 - структурная схема канала многообзорного накопления сигнала. На схеме обозначены:
10.1-10.N - каналы обнаружения в 1, 2, 3…N обзорах;
11 - формирователь маски;
12 - логический блок «ИЛИ»;
13, 18.1, 18.2… - пиковые детекторы;
14, 20.1, 20.2… - пороговые устройства.
15.1, 15.2… - многоканальные цифровые линии задержки;
16.1, 16.2… - многоканальные умножители;
17.1, 17.2… - ограничители;
19.1, 19.2… - сумматоры.
-6
Фиг. 3 - кривые обнаружения не флуктуирующего по амплитуде сигнала для F=10. На фигуре обозначены:
D - вероятность правильного обнаружения;
пунктир - кривая обнаружения для аналога;
1 об., 2 об. и 3 об. - кривые обнаружения для радиоприемного устройства импульсно-доплеровской РЛС с многообзорным накоплением сигнала при наличии сигнала цели в одном, двух и трех периодах обзора соответственно.
-6
Фиг. 4 - кривые обнаружения флуктуирующего по амплитуде сигнала для F=10. На фигуре обозначены:
D - вероятность правильного обнаружения;
пунктир - кривая обнаружения для аналога;
1 об., 2 об. и 3 об. - кривые обнаружения для радиоприемного устройства импульсно-доплеровской РЛС с многообзорным накоплением сигнала при наличии сигнала цели в одном, двух и трех периодах обзора соответственно.
Структурная схема радиоприемного устройства импульсно-доплеровской РЛС с многообзорным накоплением сигнала приведена на фиг. 1, 2.
Работа радиоприемного устройства осуществляется следующим образом.
Входным (фиг. 1) является сигнал с приемной антенны, который проходит обработку последовательно в преселекторе 1, смесителе 2 и аналого-цифровом преобразователе 4. На второй вход смесителя подается сигнал с гетеродина 3. Оцифрованный сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя 4 поступает на n параллельно функционирующих каналов дальности, каждый из которых состоит из умножителя стробирования 5 и набора из q каналов радиальной скорости, каждый из которых состоит из последовательно включенных узкополосного фильтра 6 и детектора огибающей 7. Узкополосные фильтры 6.х.1-6.х.q отличаются частотной настройкой и составляют набор, идентичный для всех каналов дальности.
С выходов детекторов огибающей 7 сигналы поступают в q каналов многообзорного накопления сигнала 8.1-8.q, причем каналы одной радиальной скорости, входящие в различные канала дальности, соединены с одним каналом многообзорного накопления сигнала 8. Число каналов многообзорного накопления сигнала соответствует числу каналов дальности.
С выходов каналов многообзорного накопления сигнала 8.1-8.q двоичные сигналы поступают на логический блок «ИЛИ» 9. Двоичный выходной сигнал логического блока «ИЛИ» 9 является выходным сигналом приемного устройства и содержит информацию об обнаружении сигнала (цели).
1
Работа каждого из каналов многообзорного накопления сигнала 8.1-8.q (фиг. 2) происходит следующим образом. На вход канала приходит n-элементный вектор значений сигнала одного канала радиальной скорости, содержащий значения n каналов дальности. На фиг. 2 линии, обозначающие путь прохождения векторного сигнала, обозначены наклонной чертой. Входной сигнала одновременно поступает на вход канала обнаружения в одном обзоре 10.1 и вход канала обнаружения в двух обзорах 10.2. В канале обнаружения в одном обзоре 10.1 сигнал проходит через пиковый детектор 13 и пороговое устройство 14. На верхнем по схеме (фиг. 2) выходе пикового детектора 13 формируется скалярный сигнал с максимальной амплитудой из входного векторного сигнала, а на нижнем выходе - номер (индекс) элемента вектора, содержащего сигнал максимальной амплитуды. Далее, сигнал с максимальной амплитудой поступает в пороговое устройство 14, где сравнивается с порогом обнаружения h. Результатом порогового сравнения является двоичное значение: «0» - сигнала нет, «1» - сигнал есть. С выхода порогового устройства 14 двоичное значение поступает на вход логического блока «ИЛИ» 12, выход которого является выходом канала многообзорного накопления сигнала 8.
Сигнал, приходящий на вход канала обнаружения в двух обзорах 10.2, поступает в многоканальную цифровую линию задержки 15.1. Многоканальные цифровые линии задержки 15.1-15.N-1 задерживают сигнал на период обзора РЛС, сохраняя сигнал, принятый с того же углового направления. С выхода многоканальной цифровой линии задержки 15.1 сигнал поступает на вход многоканального умножителя 16.1 и на вход канала обнаружения в трех обзорах 10.3. На второй вход многоканального умножителя 16.1 поступает стробирующая маска, генерируемая формирователем маски 11. Формирователь маски 11 рассчитывает стробирующие маски для каналов обнаружения 10.2-10.N следующим образом.
u
Стробирующая маска для u-го (u=2…N) канала обнаружения w определяется следующим образом.
Рассчитывается строб дальности  в котором сигнал цели находился u обзоров назад с вероятностью близкой 1 для принятой модели движения цели. Нижняя и верхняя границы строба дальности
где υ - оценка радиальной скорости цели, соответствующая центру анализируемого канала радиальной скорости;
- ошибка измерения радиальной скорости цели, определяемая шириной фильтра доплеровской частоты  и длиной волны λ;
i
T - период обзора.
Оценка неоднозначной дальности отметки r, соответствующая центру элемента разрешения по дальности в котором находится экстремум в текущем обзоре
r
где Δ - разрешающая способность по дальности;
- номер канала дальности с экстремумом.
u
Производится расчет нижнего  и верхнего  индексов элементов, определяющих w.
од
Если размер строба дальности  рассчитанный по (1), не меньше интервала однозначного измерения дальности r, определяемого частотой повторения импульсов РЛС,  тогда
В противном случае, в следствие неоднозначного измерения дальности, возможно  и (или)  тогда
a
а
где mod(, b) - функция расчета остатка от деления  на b;
floor - функция округления до меньшего целого;
ceil - функция округления до большего целого.
u
Элементы стробирующей маска w
С выхода многоканального умножителя 16.1 сигнал поступает в пиковый детектор 18.1, на выходе которого формируется скалярный сигнал с максимальной амплитудой из входного векторного сигнала. Данный скалярный сигнал поступает на второй (нижний по схеме на фиг. 2) вход сумматора 19.1. На первый (верхний по схеме на фиг. 2) вход сумматора 19.1 поступает сигнал, пришедший из канала обнаружения в одном обзоре 10.1 через ограничитель 17.1, реализующий «жесткое» ограничение амплитуды сигнала в соответствии с выражением
вых
где s - выходной сигнал ограничителя 17.1-17.N-1;
вх
s - входной сигнал ограничителя 17.1-17.N-1;
ог
h - порог ограничения амплитуды сигнала.
2
С выхода сумматора 19.1 сигнал поступает на вход порогового устройства 20.1, где сравнивается с порогом обнаружения h. Результатом порогового сравнения является двоичное значение: «0» - сигнала нет, «1» - сигнал есть. С выхода порогового устройства 14 двоичное значение поступает на вход логического блока «ИЛИ» 12, выход которого является выходом канала многообзорного накопления сигнала 8.
Работа каналов обнаружения 10.3-10.N происходит аналогичным образом.
Число каналов обнаружения N выбирается исходя из допустимых вычислительных затрат и объема памяти для многоканальных цифровых линий задержки.
1
n
Пороги обнаружения h-h выбираются по критерию Неймана-Пирсона.
Таким образом, единичный сигнал на выходе канала многообзорного накопления сигнала 8 формируется при появлении единичного сигнала на выходе хотя бы одного из входящих в его состав каналов обнаружения 10.1-10.N.
-6
5
Эффективность комбинированного обнаружителя для N=3 и n=20 оценена методом имитационного моделирования. На фиг. 3 и 4 приведены кривые обнаружения флуктуирующего и не флуктуирующего по амплитуде сигнала для F=10 в диапазоне ОСШ от 0 до 20 дБ. Вероятность правильного обнаружения для каждого ОСШ оценена по 10 опытам. На каждой из фиг. 3 и 4 приведены: кривые обнаружения для аналога (пунктир); кривые обнаружения для радиоприемного устройства импульсно-доплеровской РЛС с многообзорным накоплением сигнала при наличии сигнала цели в одном, двух и трех периодах обзора (сплошные линии) соответственно.
Из приведенных результатов видно, что при наличии сигнала цели только в одном периоде обзора эффективность предлагаемого приемного устройства незначительно уступает эффективности аналога (на 0,2 дБ). При наблюдении сигнала цели более чем в двух смежных периодах обзора приемное устройство обеспечивает гарантированный выигрыш в сравнении с аналогом. Значение выигрыша зависит от вероятности ложной тревоги и закона распределения амплитуды сигнала цели. Так, при вероятности правильного обнаружения 0,5 выигрыш составляет: 1,6-2,9 дБ для не флуктуирующего по амплитуде сигнала, 2,9-4,3 дБ для флуктуирующего. При D=0,9 выигрыш составляет: 2,2-3,3 дБ для не флуктуирующего по амплитуде сигнала, 5,7-8 дБ для флуктуирующего.
Литература
1. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981.
2. Ширман Я.Д., Багдасарян С.Т. и др. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп. / Под. ред. Я.Д. Ширмана. М.: Радиотехника, 2007.
3. Кузьмин С.З. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. - Киев: КВiЦ, 2000.