УСТРОЙСТВО СЕЛЕКЦИИ МЕШАЮЩИХ ОТРАЖЕНИЙ ОТ ОПТИЧЕСКИ НЕНАБЛЮДАЕМЫХ ОБЪЕКТОВ ("АНГЕЛОВ") В ЗОНЕ "МЕСТНЫХ" ПРЕДМЕТОВ
APPARATUS FOR SELECTING CLUTTER REFLECTIONS FROM OPTICALLY UNOBSERVABLE OBJECTS ("ANGELS") IN AREA OF "LOCAL" OBJECTS

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях.
Известно, что в процессе работы радиолокационной станции на вход приемного тракта помимо полезных эхо-сигналов поступают различного рода помехи [1, 2]. В частности, весьма распространенными являются помехи, связанные с отражениями зондирующих импульсов в приземном слое атмосферы от дождя, тумана, а также от оптически ненаблюдаемых объектов, для которых принято собирательное название - "ангелы".
Основной причиной возникновения "ангелов" считаются особые метеорологические условия, способствующие возникновению локальных неоднородностей в нижних слоях тропосферы, в основном до высоты 2,5-3 км [3].
-2
Отражения от "ангелов" имеют, в основном, дискретный характер. При этом их наибольшая плотность (до 1.5 км) наблюдается до дальности 40-80 км в летние месяцы в районах страны с жарким и умеренным климатом. Максимальная дальность появления мешающих отражений может достигать 200-250 км [3, 4].
Основной трудностью при защите от такого типа помех является их дискретность, что делает их похожими на цель, и широкий диапазон возможных частот Доплера "ангелов", особенно в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн.
Так, использование режекторного фильтра для защиты от "ангелов" будет неэффективным. Это объясняется узкой шириной зоны режекции режекторного фильтра по сравнению с большим диапазоном изменения возможных частот Доплера "ангелов". Увеличение ширины зоны режекции режекторного фильтра при сохранении средней частоты повторения импульсов приведет к сильным искажениям скоростной характеристики режекторного фильтра и, как следствие, к недопустимо большим потерям в обнаружении целей. Увеличение частоты повторения импульсов оказывается также нежелательно, так как она выбирается, исходя из требуемой инструментальной дальности обнаружения целей, и ее увеличение приведет к появлению неоднозначности при измерении дальности.
Известно "Устройство селекции мешающих отражений от оптически ненаблюдаемых объектов ("ангелов")" [5], осуществляющее селекцию "ангелов" и целей. Принцип работы данного устройства основан на различии радиальных скоростей (доплеровских частот) целей и "ангелов". Указанное различие позволяет производить селекцию "ангелов", используя набор режекторных фильтров с последующей оценкой коэффициентов подавления на его выходе. При этом, располагая нули скоростных характеристик режекторных фильтров в диапазоне предполагаемых доплеровских частот эхосигналов "ангелов", неизбежно получение хотя бы в одном режекторном фильтре коэффициента подавления эхосигнала "ангела", значительно превышающего коэффициент подавления эхосигнала цели. Таким образом, по величине коэффициента подавления производится селекция эхосигналов "ангелов" и целей.
На сравнительно небольших дальностях (50-80 км) на вход приемного тракта радиолокационной станции дополнительно поступают эхосигналы "местных" предметов (отражения от гор, лесов, подстилающей поверхности) [1, 4]. Защита от эхосигналов "местных" предметов традиционно осуществляется с использованием широкополосного режекторного фильтра, настроенного на нулевую частоту Доплера. Для устранения зон "слепых" скоростей в скоростной характеристике широкополосного режекторного фильтра зондирование осуществляется с вобуляцией периода повторения импульсов [1, 4]. Переменный период повторения импульсов приводит к возникновению фазовых искажений, которые вносятся широкополосным режекторным фильтром в структуру эхосигналов "ангела" и цели. Это приводит к тому, что использование устройства селекции "ангелов", включаемого по выходу широкополосного режекторного фильтра, не позволяет достоверно провести идентификацию искаженного сигнала. Таким образом, указанное устройство [5] не в состоянии обеспечить защиту радиолокационной станции от "ангелов" в зоне "местных" предметов.
Известно также устройство обнаружения целей на фоне "ангелов" [1, 2] путем уменьшения коэффициента усиления приемника радиолокационной станции в зоне обзора, пораженной "ангелами" [2]. При таком способе защиты эхосигналы "ангелов" в силу их малой мощности оказываются под порогом обнаружения и не создают ложных отметок (ложных целей) на индикаторе кругового обзора радиолокационной станции. Данное устройство выберем в качестве устройства-прототипа как наиболее близкое к предлагаемому по технической сущности.
Устройство-прототип содержит (фиг.1) последовательно соединенные усилитель промежуточной частоты 1, согласованный фильтр 2, режекторный фильтр по "местным" предметам 3, амплитудный детектор 4, некогерентный накопитель 5, устройство обнаружения эхосигналов 6 и индикатор кругового обзора 7, а также формирователь функции временной автоматической регулировки усиления 8, выходом подключенный к входу управления усилением усилителя промежуточной частоты 1.
В каждом такте в момент излучения зондирующего сигнала синхроимпульсом запускается формирователь функции временной автоматической регулировки усиления 8, который создает на своем выходе нарастающий во времени сигнал, пропорциональный времени в квадрате [2, с.158]. При этом в зоне обзора, пораженной "ангелами", коэффициент усиления усилителя промежуточной частоты 1 устанавливается таким, чтобы основная масса отражений от "ангелов" находилась ниже порога обнаружения.
В большинстве случаев эффективная поверхность рассеяния "ангела" значительно меньше эффективной поверхности рассеяния цели. Однако, в некоторых случаях [4, рис.3.12] эффективная поверхность рассеяния "ангела" может быть значительно больше эффективной поверхности рассеяния цели. Поэтому возможна ситуация, когда эхосигнал "ангела" достаточно большой амплитуды превысит порог обнаружения и будет воспринят как эхосигнал цели. Т.е. устройство-прототип обеспечивает защиту радиолокационной станции только от эхосигналов "ангелов" порогового уровня и не в состоянии обеспечить защиту от эхосигналов "ангелов" большей амплитуды. Другим недостатком этого устройства является пропуск (необнаружение) малоразмерных и малозаметных целей с эффективной поверхностью рассеивания, сравнимой с эффективной поверхностью рассеивания "ангелов", таких как летательные аппараты, выполненные по технологии "Стеле", боевые блоки баллистических ракет небольших размеров, гиперзвуковые крылатые ракеты.
Технический результат заявляемого устройства заключается в обеспечении защиты радиолокационной станции в зоне "местных" предметов от эхосигналов "ангелов" произвольной амплитуды, а также увеличении вероятности обнаружения малозаметных и малоразмерных целей.
Указанный результат достигается тем, что в устройство-прототип, содержащее последовательно соединенные усилитель промежуточной частоты, согласованный фильтр, режекторный фильтр по "местным" предметам, амплитудный детектор, некогерентный накопитель и устройство обнаружения эхосигналов, а также индикатор кругового обзора, добавляются первый клапан и селектор "ангелов", состоящий из второго клапана, третьего клапана, устройств быстрого преобразования Фурье, грубого определения частоты Доплера, формирования частот настроек режекторных фильтров, доплеровского фильтра, устройств определения номера режекторного фильтра, определения частоты Доплера и порогового устройства, с соответствующими связями.
На фиг.2 приведена структурная схема заявляемого устройства, где обозначено:
1 - усилитель промежуточной частоты;
2 - согласованный фильтр;
3 - режекторный фильтр по "местным" предметам;
4 - амплитудный детектор;
5 - некогерентный накопитель;
6 - устройство обнаружения эхосигналов;
7 - индикатор кругового обзора;
9, 10, 11 - первый, второй и третий клапаны;
12 - устройство быстрого преобразования Фурье;
13 - устройство грубого определения частоты Доплера;
14 - устройство формирования частот настроек режекторных фильтров (ФЧН);
15 - доплеровский фильтр (ДФ);
16 - устройство определения номера режекторного фильтра;
17 - устройство определения частоты Доплера;
18 - пороговое устройство.
Как видно из фиг.2, в состав заявляемого устройства входят канал обнаружения, состоящий из последовательно соединенных усилителя промежуточной частоты 1, согласованного фильтра 2, режекторного фильтра по "местным" предметам 3, амплитудного детектора 4, некогерентного накопителя 5, устройства обнаружения эхосигналов 6, клапана 9 и индикатора кругового обзора 7, и селектор "ангелов", состоящий из клапана 10, клапана 11, устройств быстрого преобразования Фурье 12, грубого определения частоты Доплера 13, формирования частот настроек режекторных фильтров 14, доплеровского фильтра 15, устройств определения номера режекторного фильтра 16, определения частоты Доплера 17 и порогового устройства 18.
Вход усилителя промежуточной частоты 1 последовательно соединен со входами согласованного фильтра 2, режекторного фильтра по "местным" предметам 3, амплитудного детектора 4, некогерентного накопителя 5, устройства обнаружения эхосигналов 6, а также с первым входом первого клапана 9, выход которого соединен со входом индикатора кругового обзора 7.
max
Вход 1 клапана 10 соединен с выходом согласованного фильтра 2, а вход 2-е выходом устройства обнаружения эхосигналов 6. Выход клапана 10 соединен с входом 1 доплеровского фильтра 15. Вход 1 клапана 11 соединен с выходом режекторного фильтра по "местным" предметам 3, а вход 2-е выходом устройства обнаружения эхосигналов 6. Выход клапана 11 соединен с входом устройства быстрого преобразования Фурье 12. Выход устройства быстрого преобразования Фурье 12 через устройство грубого определения частоты Доплера 13 подключен ко входу устройства формирования частот настроек режекторных фильтров 14 и входу 2 доплеровского фильтра 15, который своим выходом через устройство определения номера режекторного фильтра 16 соединен со входом 1 устройства определения частоты Доплера 17. Входы 2 устройств определения номера режекторного фильтра 16 и определения частоты Доплера 17 подключены к выходу устройства формирования частот настроек режекторных фильтров 14. Устройство определения частоты Доплера 17 соединен своим выходом через пороговое устройство 18 со входом 2 клапана 9. Пороговое устройство 18 формирует постоянный порог F.
Устройство определения номера режекторного фильтра 16 состоит (фиг.3) из N каналов обработки (каждый из которых включает в себя последовательно соединенные режекторный фильтр (РФ) второго порядка, амплитудный детектор (АД) и некогерентный накопитель (НН)) и устройства отбора канала с минимальным уровнем сигнала (ОТМИН).
Режекторные фильтры входами 1 подключены к выходу доплеровского фильтра 15 (фиг.2). Входы 2 режекторных фильтров соединены с выходом устройства формирования частот настроек режекторных фильтров 14 (фиг.2). Выходы режекторных фильтров через амплитудный детектор и некогерентный накопитель соединены с входами устройства отбора канала с минимальным уровнем сигнала, выходом подключенного ко входу 1 устройства определения частоты Доплера 17 (фиг.2).
Принцип работы заявляемого устройства заключается в следующем. Принятый сигнал сначала поступает на вход усилителя промежуточной частоты 1, где осуществляется его усиление. Далее сигнал поступает на вход согласованного фильтра 2, где осуществляется его согласованная фильтрация, увеличивающая отношение сигнал/шум. С выхода согласованного фильтра 2 сигнал поступает на режекторный фильтр по "местным" предметам 3, задачей которого является режекция эхосигналов "местных" предметов. Сигнал с выхода режекторного фильтра по "местным" предметам 3 последовательно поступает на амплитудный детектор 4 (где осуществляется его детектирование), некогерентный накопитель 5 (где осуществляется его некогерентное накопление с целью дополнительного увеличения отношения сигнал/шум), устройство обнаружения эхосигналов 6, осуществляющее обнаружение целей (или "ангелов") на фоне шумов, и далее - на первый вход первого клапана 9. При обнаружении какого-либо эхосигнала запускается процедура его идентификации, позволяющая принять решение о типе эхосигнала ("ангел" или цель). Процедура идентификации осуществляется в селекторе "ангелов", принцип работы которого основан на различии радиальных скоростей (доплеровских частот) целей и "ангелов".
Таким образом, селектор "ангелов" включается при обнаружении цели или "ангела", т.е. при подаче сигнала на входы 2 клапанов 10 и 11 с выхода устройства обнаружения эхосигналов 6.
0
0
0
При этом сначала сигнал с выхода режекторного фильтра по "местным" предметам 3 через клапан 11 поступает последовательно на устройство быстрого преобразования Фурье 12, где рассчитывается межпериодный спектр анализируемого сигнала S(f), и устройство грубого определения частоты Доплера 13, в котором отбирается частота f, соответствующая наибольшему значению S(f) в межпериодном спектре S(f). Отобранная частота f используется для настройки доплеровского фильтра 15 и для формирования частот настроек режекторных фильтров в устройстве формирования частот настроек режекторных фильтров 14. Сформированные частоты настройки используются в устройстве определения номера режекторного фильтра 16 для формирования зон режекции в режекторных фильтрах и в устройстве определения частоты Доплера 17, для определения частоты Доплера по номеру фильтра m.
0
После этого сигнал с выхода согласованного фильтра 2 через клапан 10 подается на вход 1 доплеровского фильтра 15, настроенного на частоту f. Доплеровский фильтр 15 осуществляет когерентное накопление импульсов, следующих через период вобуляции, и увеличивает отношение сигнал/шум, что позволяет улучшить эффективность селекции эхосигналов "ангелов" порогового уровня. Накопленный сигнал с выхода доплеровского фильтра 15 подается на вход 1 устройства определения номера режекторного фильтра 16.
п
п
0
0
нj
нj
Необходимо отметить, что устройство быстрого преобразования Фурье 12 формирует спектр сигнала только в ограниченном частотном диапазоне (от 0 до F, где F - средняя частота повторения импульсов), который существенно меньше диапазона возможных частот Доплера "ангелов". Это приведет к тому, что частота f не всегда будет соответствовать истинной частоте Доплера эхосигнала "ангела". Поэтому для устранения неточности в определении частоты Доплера анализируемого сигнала в устройстве определения номера режекторного фильтра 16 используется не один канал с режекторным фильтром, имеющим зону режекции на частоте f, а несколько. В каждом канале обработки устройства определения номера режекторного фильтра 16 используется режекторный фильтр второго порядка с двумя "нулями" в амплитудно-частотной характеристике: один на частоте 0 Гц, второй - на частоте f. Частоты f определяются устройством формирования частот настроек режекторных фильтров 14:
нj
0
п
f=f±j·F/L, где
j - целое число,
L - порядок вобуляции.
Количество фильтров N выбирается таким образом, чтобы значения не выходили за диапазон возможных доплеровских частот "ангелов".
На выходе режекторных фильтров в каждом канале обработки путем детектирования и накопления L импульсов оценивается уровень сигнала и в устройстве отбора канала с минимальным уровнем сигнала (фиг.3) определяется номер канала с минимальным уровнем сигнала - m.
нm
По полученному номеру т в устройстве определения частоты Доплера 17 определяется частота настройки режекторного фильтра, обеспечившего наибольшее подавление входного сигнала |f|, которая в пороговом устройстве 18 сравнивается с пороговым значением:
max
max
F=2Vr/λ, где
λ - длина волны,
max
Vr~120 км/ч - максимально возможная скорость "ангелов", определяемая скоростью ветра.
нm
max
Если выполняется условие |f|>F, то анализируемый эхосигнал идентифицируется как эхосигнал цели, в противном случае - как эхосигнал "ангела".
Принятое решение ("ангел" или цель) с выхода порогового устройства
18 поступает на вход 2 клапана 9. Если эхосигнал идентифицируется как "ангел", то он бланкируется в клапане 9 и не поступает на индикатор кругового обзора 7. Если эхосигнал идентифицируется как цель, то он проходит через клапан 9 на индикатор кругового обзора 7.
нm
В отличие от устройства-прототипа, заявляемое устройство осуществляет защиту радиолокационной станции от эхосигналов "ангелов" не только порогового уровня. Так, при достаточно больших мощностях эхосигналов "ангелов" в устройстве-прототипе они превысят порог обнаружения и вызовут увеличение вероятности ложных тревог. А в заявляемом устройстве увеличение мощности эхосигналов "ангелов" приведет к более точному измерению |f| и, следовательно, к увеличению вероятности правильной селекции "ангелов" и целей. Бланкирование идентифицированных эхосигналов "ангелов" не приводит к увеличению вероятности ложных тревог.
Если селектор "ангелов" выносит решение о том, что анализируемый сигнал - это эхосигнал цели, то этот эхосигнал поступает на индикатор кругового обзора 7 без каких-либо изменений. Т.е. заявляемое устройство не вносит дополнительных потерь в обнаружение целей. Поэтому характеристики обнаружения малозаметных и малоразмерных целей при использовании заявляемого устройства будут лучше, чем при использовании устройства-прототипа, т.к. принцип работы устройства-прототипа основывается на уменьшении коэффициента усиления усилителя промежуточной частоты в зоне "ангелов", что приводит к потерям в обнаружении эхосигналов "слабых" целей.
Таким образом, введение в устройство, содержащее усилитель промежуточной частоты 1, согласованный фильтр 2, режекторный фильтр по "местным" предметам 3, амплитудный детектор 4, некогерентный накопитель 5, устройство обнаружения эхосигналов 6 и индикатор кругового обзора 7, первого клапана 9 в канал обнаружения целей и селектора "ангелов", состоящего из второго клапана 10, третьего клапана 11, устройств быстрого преобразования Фурье 12, грубого определения частоты Доплера 13, формирования частот настроек режекторных фильтров 14, доплеровского фильтра 15, определения номера режекторного фильтра 16, определения частоты Доплера 17 и порогового устройства 18 позволило в зоне "местных" предметов обеспечить защиту радиолокационной станции от эхосигналов "ангелов" с произвольной амплитудой и увеличить вероятность обнаружения малозаметных и малоразмерных целей.
Литература:
1. Справочник по радиолокации. Под ред. Сколника М., т.1, М.: Советское радио, 1976, с.256-263.
2. Там же, т.3, М.: Советское радио, 1979, с.158, 161,179.
3. Отчет о НИР «Аквамарин-Г». Под руководством И.Е. Лурье. - Министерство радиопромышленности СССР, 1984.
4. Бакулев П.А. Методы и устройства селекции движущихся целей, М.: Радио и связь, 1986.
5. Патент на изобретение №2308736.
6. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы, М.: Советское радио, 1971, с.13.