УСТРОЙСТВО СЕЛЕКЦИИ ДВИЖУЩИХСЯ ЦЕЛЕЙ
MOVING TARGET SELECTION DEVICE

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к импульсным радиолокационным системам (РЛС) с селекторами движущихся целей (СДЦ), и предназначено для повышения эффективности распознавания различия между неподвижными и подвижными объектами или между объектами, движущимися с различными скоростями.
<mrow><mi>n</mi><mfrac><mi>λ</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow>
Стробоскопический эффект в импульсных РЛС с СДЦ проявляется в неоднозначном измерении допплеровского смещения частоты эхо-сигналов, отраженных от движущихся целей. Это приводит, во-первых, к появлению, так называемых, "слепых" скоростей. "Слепые" скорости соответствуют перемещению цели за время между излучением последовательных зондирующих импульсов на расстояние
, где n=1, 2, 3, …, λ - длина рабочей волны РЛС. Такое перемещение приводит к тому, что принимаемые сигналы имеют фазовый сдвиг между последовательными импульсами, равный 360° или кратный этому значению. При таком фазовом сдвиге напряжение на выходе фазового детектора РЛС не изменяется, поэтому сигнал этой цели подавляется в СДЦ. Следует отметить, что при фазовом сдвиге, близком к 360° (или 0°), СДЦ воспринимает эхо-сигналы как сигналы медленно движущихся целей и компенсирует их. Следовательно, первый недостаток, обусловленный стробоскопическим эффектом, заключается в том, что значительное количество целей, движущихся со скоростями, равными или близкими к "слепым", воспринимаются СДЦ как неподвижные или медленно движущиеся и компенсируются, что исключает возможность их обнаружения.
п
п
п
п
20
Второй существенный недостаток, обусловленный стробоскопическим эффектом, заключается в том, что все допплеровские частоты приводятся в диапазон 0-F/2, где F - частота повторения зондирующих импульсов РЛС. Однако именно в этом диапазоне частот проявляются нестабильности когерентного режима РЛС. Это можно пояснить на таком примере. Допустим, от импульса к импульсу по любой причине фаза зондирующих сигналов изменяется относительно фазы когерентного гетеродина знакопеременно на 0,01 радиана (0,57°). Такая нестабильность приводит к тому, что в спектре эхо-сигналов всех целей появляется частота F/2 с уровнем -40 дБ относительно их амплитуды. Эта составляющая проходит через СДЦ без компенсации, как оптимальная, и снижает коэффициент улучшения СДЦ, при идеальности остальных параметров, до 40 дБ. Если нестабильность когерентного режима изменяется медленнее, то новая частота оказывается внутри диапазона 0÷F/2, и в зависимости от значения нижней частоты среза частотной характеристики фильтра СДЦ эта составляющая будет выделяться или ослабляться на величину, зависящую от крутизны ската частотной характеристики селектора. Таким образом, второй недостаток, обусловленный стробоскопическим эффектом, заключается в необходимости обеспечения высокой степени когерентности, в связи с чем РЛС, по сути, превращается в высокоточную фазоизмерительную систему, причем, отношение обрабатываемых сигналов достигает 10. Это приводит к значительному повышению сложности и стоимости РЛС.
Третий и, пожалуй, самый неприятный недостаток, обусловленный стробоскопическим эффектом, заключается в наложении в частотной области эхо-сигналов целей, движущихся с разными радиальными скоростями. При отсутствии стробоскопического эффекта, например, в допплеровских РЛС с непрерывным излучением, частотный отклик каждой цели пропорционален ее радиальной скорости. Это позволяет выбрать частоту режекции фильтра СДЦ таким образом, чтобы сигналы неподвижных в медленнодвижущихся целей подавлялись, а сигналы быстродвижущихся целей выделялись. Эффект наложения не позволяет однозначно установить порог (критерий) "движется - не движется", и в результате эффективность работы СДЦ в РЛС оказывается невысокой. Если выбрать порог (задается нижним срезом частотной характеристики фильтра СДЦ) очень низким, то не обеспечивается эффект подавления медленно движущихся пассивных помех, если частоту среза выбрать повыше, то чрезмерно расширяются зоны "слепых" скоростей и повышается вероятность пропуска скоростных целей.
В результате проведенных патентных исследований по источникам патентной и научно-технической информации способов и устройств компенсации стробоскопического эффекта в импульсных РЛС в СДЦ не выявлено.
В то же время известны технические решения, направленные на устранение явления "слепых" скоростей - первого из рассмотренных недостатков РЛС с СДЦ, обусловленных влиянием стробоскопического эффекта. Второй и третий рассмотренные недостатки воспринимаются как объективно неизбежные и методы борьбы с ними не известны.
Известные способы борьбы со "слепыми" скоростями изложены, например, в книге "Селекция движущихся целей", Г.М. Вишин, М., Воениздат, 1966, стр.213. Они сводятся к следующим основным решениям:
- работа с РЛС с высокой частотой повторения;
- работа РЛС на переменной частоте повторения (с изменением межимпульсных интервалов);
- изменение несущей частоты передатчика РЛС (перестройка частоты зондирующих сигналов);
- одновременное использование нескольких несущих частот РЛС.
Частота повторения зондирующих импульсов в РЛС, работающих с высокой частотой повторения, выбирается из условия обеспечения однозначного измерения скорости цели, благодаря чему достигается возможность допплеровской фильтрации. Как отмечается, такое решение имеет следующие недостатки:
- неоднозначно меняется дальность цели, в связи с чем необходимо усложнение аппаратуры дальномера;
- требуется более сильное подавление пассивных помех, вследствие их наложения при неоднозначности по дальности;
- более жесткие требования к стабильности и спектральной чистоте передаваемых сигналов, вследствие более сильного влияния пассивных помех при наложении;
- средняя мощность передатчика должна быть увеличена пропорционально уменьшению скважности.
Работа РЛС на переменной частоте повторения основана на том факте, что при уменьшении межимпульсных интервалов достигается смещение значений "слепых" скоростей. Этот способ не пригоден для СДЦ с фиксированной задержкой на период повторения. Кроме того, стабилизация передатчика, необходимая для хорошего функционирования СДЦ с постоянным периодом повторения, связана с большими финансовыми затратами и увеличением массы системы. Однако стабилизация передатчика, необходимая для хорошего функционирования системы с изменением периода от импульса к импульсу требует преодоления еще больших трудностей (см. Справочник по радиолокации, под редакцией М. Сколника, (пер. с анг., М., Сов. радио, 1979, том 3, стр.319). В то же время этот способ в ряде случаев является единственной возможностью ослабить эффект "слепых" скоростей.
Устранение "слепых" скоростей принципиально возможно также путем изменения несущей частоты передатчика РЛС. Однако пределы частотной перестройки передатчика, необходимые для существенного изменения "слепых" скоростей, настолько широки, что практически такая перестройка неосуществима.
Способ одновременного использования нескольких несущих частот РЛС может быть реализован в простейшем варианте на двух частотах, выбранных таким образом, что соответствующие им "слепые" скорости не совпадают. Оба частотных канала объединяются перед компенсирующим устройством. Объединение каналов может быть достигнуто путем смешивания разнесенных по частоте сигналов. Дальнейшая обработка сигналов производится на разностной частоте. По существу, это две РЛС с общей обработкой, что ограничивает возможности реализации этого способа.
Проведенный анализ показывает, что рассмотренные способы борьбы со "слепыми" скоростями являются частными решениями одного недостатка и в силу этого - паллиативными (полумерами) поскольку не обеспечивают полного, коренного решения поставленной задачи.
п
п
п
Наиболее близким по технической сущности к описываемому изобретению является способ борьбы со "слепыми" скоростями путем изменения межимпульсных интервалов (с вобуляцией частоты повторения) описанный, например, в книге "Справочник по радиолокации", под ред. М. Сколника, пер. с англ., М., Сов. радио, 1979, том.3, стр.319-326 и в патенте США №3902174, МКИ G01S 9/42, опубл. 26.08.75 г. Известно, что "слепым" скоростям соответствуют допплеровские частоты, кратные частоте повторения F. Если несколько изменить частоту повторения РЛС, то ряд допплеровских частот, ранее кратных F, станет некратным и, следовательно, цели с такими частотами будут выделяться СДЦ. Однако в то же время сигналы других целей, ранее выделяемых, станут кратными F и будут компенсироваться. Устройство изменения частоты повторения зондирующих импульсов передатчика работает автоматически по определенной программе, оптимизированной для обнаружения целей в ожидаемом диапазоне скоростей. Способ осуществляют устройством, представляющим собой импульсную РЛС с СДЦ, содержащую антенну, антенный переключатель, приемник, цепь когерентного фазирования, когерентный гетеродин, импульсный передатчик с устройством изменения частоты повторения зондирующих импульсов и фазовый детектор, выход которого соединен с селектором движущихся целей (см. например, книгу М.И. Финкельштейн "Основы радиолокации", М., Сов. радио, 1973, рис.6.1.1, стр.296 и рис.6.1.7, стр.301, или Справочник по радиолокации под ред. М. Сколника, т.3, М., 1979, рис.51-52, стр.329-330, рис.4 на стр.285).
Цепь когерентного фазирования строится так же, как и приемный тракт, т.е. включает в себя смеситель синхроимпульсов, на который подается сигнал первого гетеродина, частота которого в общем случае должна быть очень высокой и отличаться от частоты зондирующего сигнала на значение промежуточной частоты приемника.
Недостатком такого решения является необходимость обеспечения высокой кратковременной стабильности первого гетеродина и связанное с этим усложнение РЛС.
Кроме отмеченных выше трудностей, связанных с передатчиком РЛС, работающим с переменной частотой повторения, необходимо указать еще на один недостаток такого решения. Изменение частоты повторения приводит, по сути, к усреднению скоростной характеристики СДЦ, в связи с чем снижается вероятность обнаружения движущихся целей по сравнению с их оптимальным выделением, так как в пачке импульсов появляются провалы.
Целью настоящего изобретения является повышение защищенности РЛС от пассивных помех и одновременное упрощение ее аппаратурной реализации.
Другой целью данного изобретения является создание устройства, реализующего предлагаемый способ.
Еще одной целью настоящего изобретения является устранение неоднозначности измерения скорости цели в импульсных РЛС, а также создание устройства, позволяющего нормализовать скоростную характеристику РЛС, сделать ее независимой от рабочего диапазона частот и на этой основе обеспечить возможность унификации СДЦ.
Поставленные цели достигаются тем, что традиционно выполняемые операции в импульсных РЛС с СДЦ, заключающиеся в формировании и излучении зондирующих импульсов, приеме, усилении и фильтрации по допплеровскому смещению частоты принятых эхо-сигналов, дополняются операцией сжатия динамического диапазона допплеровского смещения частоты эхо-сигналов, выполняемый перед фильтрацией по допплеровскому смещению частоты.
Сущность изобретения заключается в том, что диапазон допплеровских частот, зависящий от относительных (радиальных) скоростей целей и от длины рабочей волны РЛС, сжимается специальным устройством таким образом, что представляющий интерес поддиапазон допплеровских скоростей движущихся целей оказывается в полосе пропускания фильтра СДЦ, благодаря чему эти сигналы не компенсируются. В то же время эхо-сигналы пассивных помех оказываются ниже полосы пропускания СДЦ и компенсируются. Устранение эффекта наложения позволяет реализовать предельный коэффициент улучшения, обеспечиваемый РЛС с СДЦ. Более того, представляется возможность сформировать специальную форму частотной характеристики фильтра СДЦ в области выделения, например, возрастающую, что еще более повысит вероятность обнаружения высокоскоростных целей при общем повышении защищенности РЛС от пассивных помех. Поскольку в каждом конкретном случае коэффициент сжатия может быть выбран разным, исходя из длины рабочей волны РЛС, то динамический диапазон допплеровского смещения частоты на входе СДЦ оказывается одинаковым и не зависящим от рабочей частоты зондирующих импульсов, что позволит унифицировать СДЦ.
Изобретенный способ отличается от известного способа борьбы со "слепыми" скоростями тем, что при этом не изменяются параметры излучения зондирующих сигналов (частота повторения, рабочая частота РЛС), что способствует снижению требований к этой аппаратуре и в результате - к значительному ее упрощению. Эффект достигается за счет сжатия динамического диапазона частот эхо-сигналов (перед фильтрацией селектором движущихся целей), выполняемого на низком уровне мощности, характерном для приемного тракта.
Предлагаемый способ осуществляется импульсной РЛС с СДЦ, содержащей импульсный передатчик, соединенный с когерентным гетеродином через цепь когерентного фазирования и с антенным переключателем, к двум выходам которого подключена антенна и радиочастотный блок приемника, а также фазовый детектор, опорный вход которого подключен к выходу когерентного гетеродина, а выход соединен с СДЦ, в которую дополнительно введен делитель частоты, включенный между выходом радиочастотного блока приемника и сигнальным входом фазового детектора.
Отличие устройства, позволяющего осуществить новый способ, от известного состоит в том, что эхо-сигналы с выхода радиочастотного блока приемника, обычно непосредственно поступающие на сигнальный вход фазового детектора, проходят через делитель частоты и только затем подается на фазовый детектор.
Сущность изобретения и достижение положительного эффекта можно пояснить следующим образом. Выходной сигнал фазового детектора пропорционален косинусу разности фаз эхо-сигнала и опорного напряжения когерентного гетеродина, т.е. в общем случае, с помощью фазового детектора определяется разность частот обрабатываемых сигналов. Операция деления частоты эхо-сигнала приводит к сжатию его спектра, в результате чего значения допплеровских частот на выходе фазового детектора будут меньше на коэффициент деления делителя. Следует при этом подчеркнуть, что одновременно во столько же раз уменьшится и частота составляющих в спектре всех эхо-сигналов, обусловленная нестабильностью когерентного режима РЛС.
В ряде случаев целесообразно также цепь когерентного фазирования выполнить с применением делителей частоты. Это позволит устранить трудности реализации первого высокочастотного гетеродина РЛС. Такое решение существенно меняет структуру РЛС, приемник становится нового типа - не супергетеродинным и не прямого усиления. Может оказаться, однако, что для конкретных целей, например, для обеспечения перестройки частоты РЛС, первый гетеродин все же надо будет применять, но в этом случае его частота не должна быть очень высокой, что снизит требование к его стабильности.
На чертеже изображена блок-схема устройства для осуществления способа. Устройство содержит импульсный передатчик 1, антенный переключатель 2, антенну 3, цепь когерентного фазирования 4, радиочастотный блок приемника 5, когерентный гетеродин 6, делитель частоты 7, фазовый детектор 8, селектор движущихся целей 9. Выходной сигнал СДЦ 9 подается на оконечное устройство РЛС. Приведенная блок-схема достаточно условно обозначает РЛС с СДЦ, однако, это сделано с целью подчеркивания сущности изобретения и, чтобы избежать излишней детализации. Например, подразумевается, что радиочастотный блок приемника 5 устройство - известное и может содержать в своем составе устройство защиты приемника, входные цепи, усилитель высокой частоты, смеситель, усилители промежуточной частоты и пр. В качестве импульсного передатчика 1 может быть применен как мощный автогенератор, так и усилительно-умножительная цепочка. Имеется в виду также, что цепь когерентного фазирования 4 может быть достаточно сложной и содержать необходимое количество различных устройств - отборник мощности зондирующего сигнала, смеситель, усилитель, элементы стробирования, и т.д.
Устройство работает следующим образом. Импульсный передатчик 1 формирует последовательность зондирующих сигналов, которые через антенный переключатель 2 излучаются антенной 3. Принятые антенной 3 эхо-сигналы через антенный переключатель 2 поступают на радиочастотный блок приемника 5, где проходят предварительную селекцию по частоте, усиливаются, переносятся на достаточно высокую промежуточную частоту и через делитель частоты 7 подаются на сигнальный вход фазового детектора 8. Цепь когерентного фазирования 4 обеспечивает когерентность работы РЛС, путем фазирования когерентного гетеродина 6 или зондирующего сигнала. Сигнал когерентного гетеродина 6 поступает на фазовый детектор 8 в качестве опорного сигнала. Выходной сигнал фазового детектора 8 через СДЦ 9 поступает на оконечное устройство РЛС.
Реализация заявляемого изобретения представляется технической задачей на уровне инженерного проектирования.
В данном случае делители частоты могут быть построены по схеме смесителя частоты (преобразователя), охваченного обратной связью. Он представляет собой смеситель, на выходе которого включен избирательный элемент, настроенный на частоту, в n раз меньшую входной. На опорный вход смесителя через умножитель частоты на (n-1) раз подается выходной сигнал.
В простейшем случае (при n=2) можно обойтись без умножителя в цепи обратной связи, поскольку в этом случае его коэффициент умножения равен 1. Требуемый коэффициент деления делителя зависит от диапазона частот РЛС, диапазона скоростей обнаруживаемых целей и частоты повторения зондирующих импульсов. В ряде случаев может потребоваться общий коэффициент деления, близкий к 100. Такой делитель частоты целесообразно выполнить в виде цепочки делителей, однако это не приведет к существенному усложнению аппаратуры. Даже в случае применения делителей с n=2 их всего понадобится 6-7 каскадов. Между каскадами можно устанавливать усилители и развязывающие элементы.
Основным преимуществом заявляемого изобретения является повышение защищенности РЛС от пассивных помех при одновременном упрощении ее аппаратурной реализации.
Использование предлагаемого способа компенсации (нейтрализации) стробоскопического эффекта в импульсных РЛС с СДЦ позволит:
- повысить защищенность РЛС от пассивных помех, что увеличит вероятность обнаружения движущихся целей, особенно малоразмерных, на фоне интенсивных мешающих отражений;
- существенно упростить передающую аппаратуру РЛС за счет снижения требований по когерентности;
- устранить неоднозначность измерения скорости движения цели.
Сжатие скоростной характеристики, устранение ее зависимости от рабочей частоты РЛС создает основу для унификации СДЦ.