СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА В ИМПУЛЬСНО-ДОПЛЕРОВСКОЙ РЛС
METHOD OF PROCESSING RADAR SIGNAL IN PULSE-DOPPLER RADAR SET

Способ относится к области радиолокации и, конкретно, к обработке квазинепрерывного радиолокационного сигнала с высокой частотой повторения импульсов в импульсно-доплеровских РЛС. Способ может быть использован в системах обработки первичной радиолокационной информации импульсно-доплеровских РЛС различного назначения.
Известен способ обработки радиолокационного сигнала в импульсно-доплеровской РЛС [1, 2]. Известный способ обеспечивает обнаружение полезного сигнала имеющего смещение несущей частоты (доплеровский сдвиг) относительно сигналов пассивных помех (ПП). Способ позволяет повысить отношение энергии обнаруживаемого сигнала к суммарной энергии ПП и шума приемника. В рассматриваемом способе используется квазинепрерывный радиолокационный сигнал с высокой частотой повторения импульсов, обеспечивающий однозначное измерение доплеровского сдвига обнаруживаемых сигналов, вызванное наличием радиальной составляющей скорости цели.
Частота повторения импульсов сигнала выбирается из условия
,
r max
где V - максимальная радиальная скорость обнаруживаемых целей;
λ - длина волны РЛС.
Структурная схема части приемного устройства типичной импульсно-доплеровской РЛС, реализующей известный способ, приведена на фиг. 1. Входными данными для осуществления известного способа являются цифровые сигналы с выхода аналого-цифрового преобразователя (АЦП) приемного канала. Известный способ включает операции над исходным сигналом, поясняемые структурной схемой системы отработки (фиг. 1). Известный способ включает следующие операции: стробирование по дальности (умножители УС.1-УС-N и генератор стробирующего сигнала ГСС), сжатие одиночных импульсов сигнала согласованными фильтрами СФ.1-СФ.N, взвешивание сигнала распределением, снижающим уровень боковых лепестков спектра ПП (умножители УВ.1-УВ.N и генератор весового распределения ГВР), узкополосную фильтрацию, реализуемую при помощи алгоритма быстрого преобразования Фурье (блоки БПФ.1-БПФ.N), детектирование огибающей (детекторы огибающей ДО.1-ДО.N) и пороговую обработку устройствами порогового сравнения УПС.1-УПС.N. Число каналов обнаружения по дальности K.1-K.N определяется скважностью зондирующих сигналов и величиной допустимых энергетических потерь. На практике, как правило, число каналов обнаружения по дальности выбирается в два раза больше скважности зондирующего сигнала. Диаграммы временной работы ГСС приведены на фиг. 2. При стробировании происходит умножение стробирующего сигнала формируемого ГСС с входным стробируемым сигналом.
Задача снижения уровня боковых лепестков ПП в частотной области решается фильтрацией сигнала путем его взвешивания во временной области весовыми распределениями специального вида [1, 2]. Взвешивание сигналов приводит к энергетическим потерям полезного сигнала. Согласно [1] величина взвешивания может выбираться адаптивно путем регистрации пиковых уровней сигнала (обычно пассивные помехи по главному лучу) и динамичного подбора доплеровского взвешивания. Данный способ снижает энергетические потери адаптивно к интенсивности ПП, но в случае ПП высокой интенсивности, энергетические потери неизбежны для сигналов целей с любым доплеровским смещением. На практике широко используется весовое распределение Дольфа-Чебышева, являющееся оптимальным по критерию минимального уровня боковых лепестков при минимальном расширении главного лепестка (минимальных энергетических потерях) [2]. Энергетические потери при использовании взвешивания сигнала распределением Дольфа-Чебышева, с уровнем боковых лепестков -90 дБ, составляют 2.66 дБ [3]. Помимо распределения Дольфа-Чебышева на практике часто используются распределения Ханна, Хемминга, Натолла и другие. Данные распределения характеризуются различным уровнем боковых лепестков, законом их убывания и соответствующими энергетическими потерями.
Известный способ обеспечивает формирование матрицы дальность - радиальная скорость (задержка - доплеровский сдвиг) путем многоканальной, как по дальности, так и по радиальной скорости обработке локационных сигналов, при этом для фильтрации сигналов различных каналов скорости используется одно весовое распределение. Результатом реализации известного способа является матрица дальность - радиальная скорость, элементы которой могут принимать одно из двух значений 0 или 1 в зависимости от результата сравнения сигнала соответствующего подканала с пороговым значением. Нулевое и единичное значения элементов матрицы соответствуют условию не превышения либо превышения сигналом порогового значения соответственно.
Особенностью способа снижения уровня боковых лепестков спектра ПП при помощи взвешивания сигнала во временной области перечисленными весовыми распределениями является подавление всех боковых лепестков спектра ПП. Наибольшей энергией обладают ближние боковые лепестки, наименьшей энергией - дальние. Энергетические потери, вносимые взвешиванием сигнала, обусловлены в первую очередь глубиной подавления ближних боковых лепестков спектра сигнала. Подавление ближних боковых лепестков спектра ПП необходимо для обнаружения сигналов целей, имеющих малый доплеровский сдвиг, в то время как для сигналов целей имеющих больший доплеровский сдвиг требуется подавление только дальних боковых лепестков спектра ПП, следовательно, для фильтрации последних сигналов с большими доплеровскими сдвигами могут быть применены специальные весовые распределения, подавляющие только дальние боковые лепестки спектра ПП.
Таким образом, недостатком известного способа является наличие энергетических потерь, обусловленных использованием весовых распределений, не адаптивных к доплеровскому сдвигу обнаруживаемого сигнала.
В качестве аналога выбран известный способ обработки радиолокационного квазинепрерывного сигнала в импульсно-доплеровской РЛС [1, с. 185].
Техническим результатом изобретения является снижение энергетических потерь, возникающих при весовой обработке сигнала [1, с. 188]. в импульсно-доплеровской РЛС.
Технический результат достигается многоканальной по доплеровскому сдвигу весовой обработкой сигнала с использованием специальных весовых распределений. В каждом из каналов диапазонов радиальных скоростей используется специальное весовое распределение, обеспечивающее подавление спектральных составляющих ПП в заданном диапазоне доплеровских сдвигов, и обеспечивающее меньшие энергетические потери, чем известное распределение Дольфа-Чебышева.
a
a
a
F
F
F
Спектр ПП, получаемый при отражении зондирующих сигналов от подстилающей поверхности, местных предметов и метеорологических образований шире спектра излучаемого РЛС сигнала в силу доплеровских сдвигов от ветра (раскачивание деревьев, волны на поверхности воды, движение метеорологических образований и т.д.) [1, 4]. Учет данного фактора при синтезе специальных весовых распределений, обеспечивающих понижение уровня спектральных составляющих ПП в заданном диапазоне доплеровских сдвигов, пояснен фиг. 3, 4. На фиг. 3 приведено качественное изображение энергетического спектра сигнала, взвешенного распределением с понижением уровня спектральных составляющих ПП в диапазоне доплеровских сдвигов с границами  и b. На фиг. 4 показан эффект сужения области пониженного уровня спектральных составляющих ПП при локализации мешающих сигналов в полосе частот Δ. Как видно из иллюстрации, область пониженного уровня спектральных составляющих ПП с границами ′ и b′ уже области с границами  и b на величину Δ. Данный фактор учитывается при синтезе специальных весовых распределений путем расширения формируемой области пониженного уровня спектральных составляющих ПП путем расширения ее границ на величину Δ/2.
a
Для понижения уровня спектральных составляющих ПП в заданном диапазоне доплеровских сдвигов, имеющим границы ′ и b′, производится взвешивание обрабатываемого сигнала специальным весовым распределением, вычисляемым по формуле
win
где L - число элементов специального весового распределения;
a
a
F
=′+Δ/2, - нижняя граница формируемой области пониженного уровня спектральных составляющих ПП в радианах;
F
b=b′+Δ/2, - верхняя граница формируемой области пониженного уровня спектральных составляющих ПП в радианах;
win
Δ - шаг дискретизации для формирования области пониженного уровня спектральных составляющих ПП;
win
k=(1, 2, …L) - индексы элементов вектора весового распределения.
Весовой вектор u рассчитывается по формуле:
-1
u=Rb,
nm
n
m
n
m
где R - матрица, элементы которой r=sink(x-y)+sink(x+y),
n
win
a
x=+(m-1)Δ, m=(1, 2, …M),
y=x,
,
b=-2sink(x) - вектор-столбец;
- введенная для удобства расчета функция, ,
J - число, достаточно J≥100.
a
a
Вычисленные по (1) специальные весовые распределения являются амплитудными, что обеспечивает симметричный, относительно нулевой частоты, модуль спектра. При формировании области пониженного уровня спектральных составляющих ПП с границами ′ и b′, формируется аналогичная область с границами -b′ и -′, что обеспечивает обнаружение сигналов как с положительным, так и с отрицательным доплеровским смещением.
a
a
a
a
a
m
m
F
m
m
m
m
При решении задачи обнаружения сигналов в области спектра с границами  и  данная область разбивается на M диапазонов радиальных скоростей с границами ′ и b′, где m=1, 2, …, M. С учетом Δ производится расчет границ  и b по приведенным выше формулам. Для каждого диапазона радиальных скоростей с границами  и b производится расчет специального весового распределения по (1). Размеры диапазонов радиальных скоростей могут быть как равными, так и различными. В заявленном способе использованы диапазоны радиальных скоростей равного размера. Размеры диапазонов радиальных скоростей выбираются исходя из компромисса между числом каналов обработки и энергетическими потерями. Зависимость энергетических потерь от местоположения формируемой области пониженного уровня спектральных составляющих ПП, заданной нижней границей диапазона радиальных скоростей  и ее ширины, равной разности верхней b и нижней  границ диапазона, приведена на фиг. 5. Цифрами 1, 2 и 3 на фиг. 5 обозначены зависимости энергетических потерь от местоположения формируемой области пониженного уровня спектральных составляющих ПП на оси доплеровских частот и ее ширины, при ширине области пониженного уровня спектральных составляющих ПП 5, 10 и 15 рад соответственно.
Расчет специальных весовых распределений, используемых при фильтрации сигнала, производится заранее для каждого из используемых зондирующих сигналов с учетом параметров ПП. Многоканальная по доплеровскому сдвигу весовая обработка производится для каждого канала дальности.
a
a
win
win
На фиг. 6 и 7 в качестве примеров приведены специальные весовые распределения, синтезированные для =3.5, b=13.5 (фиг. 6) и =30, b=40 (фиг. 7) при Δ=0.05, L=128.
Энергетические спектры специальных весовых распределений, приведенных на фиг. 6 и 7, приведены сплошной линией на фиг. 8 и 9 соответственно. На тех же фигурах для сравнения приведены энергетические спектры весового распределения Дольфа-Чебышева (-90 дБ), обозначенные пунктиром. Приведенные спектры нормированы к собственным значениям на нулевой частоте. Как видно из фиг. 8 и 9, глубина области пониженного уровня спектральных составляющих ПП при использовании синтезированных специальных весовых распределений, больше глубины, обеспечиваемой весовым распределением Дольфа-Чебышева (-90 дБ), что свидетельствует о более высоком качестве режекции сигналов ПП.
Таким образом, заявленный способ обеспечивает формирование матрицы дальность - радиальная скорость (задержка - доплеровский сдвиг) путем многоканальной, как по дальности, так и по радиальной скорости обработке локационных сигналов в условиях ПП при меньших, чем у аналога, энергетических потерях.
На фиг. 1 дана структурная схема системы отработки сигнала импульсно-доплеровской РЛС. На схеме обозначены:
K.1-K.N - каналы обнаружения по дальности;
АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
УС.1-УС.N - умножители стробирования;
СФ.1-СФ.N - согласованные с единичным импульсом фильтры;
УВ.1-УВ.N - умножители взвешивания;
БПФ.1-БПФ.N - процессоры быстрого преобразования Фурье;
ДО.1-ДО.N - детекторы огибающей;
УПС.1-УПС.N - устройства порогового сравнения;
ГСС - генератор сигналов стробирования;
ГВР - генератор весовых распределений;
0
q - порог обнаружения.
На фиг. 2 - диаграммы временной работы ГСС.
a
На фиг. 3 - качественное изображение энергетического спектра сигнала, взвешенного специальным распределением с понижением уровня спектральных составляющих ПП в диапазоне доплеровских сдвигов с границами  и b.
a
F
На фиг. 4 - качественное изображение энергетического спектра сигнала, взвешенного специальным распределением с понижением уровня спектральных составляющих ПП в диапазоне доплеровских сдвигов с границами  и b, при локализации мешающих сигналов в области Δ.
На фиг. 5 - зависимости энергетических потерь от местоположения формируемой области пониженного уровня спектральных составляющих ПП на оси доплеровских частот и его ширины.
На фиг. 6 - специальное весовое распределение, обеспечивающее пониженного уровня спектральных составляющих ПП в области малых доплеровских сдвигов.
На фиг. 7 - специальное весовое распределение, обеспечивающее пониженного уровня спектральных составляющих ПП в области больших доплеровских сдвигов.
На фиг. 8 - энергетический спектр специального весового распределения, обеспечивающего пониженный уровень спектральных составляющих ПП в области малых доплеровских сдвигов (сплошная линия), энергетический спектр весового распределения Дольфа-Чебышева - 90 дБ (пунктир).
На фиг. 9 - энергетический спектр специального весового распределения, обеспечивающего пониженный уровень спектральных составляющих ПП в области больших доплеровских сдвигов (сплошная линия), энергетический спектр весового распределения Дольфа-Чебышева - 90 дБ (пунктир).
На фиг. 10 - структурная схема системы отработки сигнала импульсно-доплеровской РЛС, реализующая заявленный способ. На схеме обозначены:
K.1.1-K.N.M - каналы диапазонов радиальных скоростей;
АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
УС.1-УС.N - умножители стробирования;
СФ.1-СФ.N - согласованные с единичным импульсом фильтры;
УВ.1.1-УВ.N.M - умножители взвешивания;
БПФ.1.1-БПФ.N.М - процессоры быстрого преобразования Фурье;
ДО.1.1-ДО.N.М - детекторы огибающей;
УПС.l.l-УПС.N.M - устройства порогового сравнения;
CO. 1-CO.N - схемы объединения каналов диапазонов радиальных скоростей;
ГСС - генератор сигналов стробирования;
ГСВР - генератор специальных весовых распределений;
0
q - порог обнаружения.
Структурная схема системы отработки сигнала импульсно-доплеровской РЛС, реализующая заявленный способ, приведена на фиг. 10. Входными данными для схемы являются цифровые сигналы с выхода аналого-цифрового преобразователя (АЦП) соответствующего приемного канала. Приведенная на фиг. 10 структурная схема имеет N каналов дальности и М каналов диапазонов радиальных скоростей.
С выхода АЦП сигнал подвергается стробированию по дальности путем его умножения умножителями стробирования УС.1-УС-N с сигналами стробирования, формируемыми генератором стробирующего сигнала ГСС. Диаграммы временной работы ГСС аналогичны прототипу и приведены на фиг. 2. Число каналов стробирования по дальности выбирается вдвое больше скважности зондирующего квазинепрерывного сигнала.
После стробирования производится фильтрация сигнала согласованными с одиночным импульсом фильтрами СФ.1-СФ.N.
После фильтрации производится распределение сигнала каждого из каналов стробирования по дальности по каналам диапазонов радиальных скоростей. В каждом из каналов диапазонов радиальных скоростей производится фильтрация сигнала путем его взвешивания (умножители УВ.1.1-УВ.N.M) специальным весовым распределением, понижающим уровень спектральных составляющих ПП в диапазоне доплеровских сдвигов, соответствующем диапазону радиальных скоростей данного канала. Генератор специальных весовых распределений (ГСВР) производит генерацию набора из M заранее рассчитанных по (1) специальных весовых распределений путем извлечения их из энергонезависимой памяти. Генерируемый набор специальных весовых распределений соответствует M каналам радиальных скоростей и перекрываемому диапазону доплеровских сдвигов, определенному частотой повторения импульсов квазинепрерывного зондирующего сигнала. Ширина каналов диапазонов радиальных скоростей выбирается исходя из компромисса между числом каналов обработки и энергетическими потерями. Зависимость энергетических потерь от местоположения формируемой области пониженного уровня спектральных составляющих ПП и ее ширины может быть оценена по графикам, приведенным на фиг. 5.
После фильтрации сигналов путем их взвешивания производится узкополосная фильтрация, реализуемая при помощи алгоритма быстрого преобразования Фурье блоками БПФ.1.1-БПФ.N.М. В отличие от прототипа, с выходов блоков БПФ.1.1-БПФ.N.M используются сигналы с фильтров (подканалов радиальной скорости), соответствующих данному каналу диапазона радиальных скоростей.
С выхода блоков БПФ сигналы из подканалов радиальных скоростей поступают на детекторы огибающей ДО.1.1-ДО.N.М., детектируются, и производится их пороговая обработка устройствами порогового сравнения УПС.1.1-УПС.N.M.
Результаты операций пороговых сравнений подаются на схемы объединения CO.1-CO.N, объединяющие информацию каналов диапазонов радиальных скоростей в соответствующих каналах дальности, формируя векторы-строки матрицы дальность - радиальная скорость. Сформированные векторы-строки матрицы дальность - радиальная скорость аналогичны векторам-строкам получаемым способом, выбранным в качестве аналога. В результате реализации предложенного способа происходит формирование матрицы дальность - радиальная скорость, элементы которой могут принимать одно из двух значений 0 или 1 в зависимости от результата сравнения сигнала соответствующего подканала с пороговым значением. Нулевое и единичное значения элементов матрицы соответствуют условию не превышения либо превышения сигналом порогового значения соответственно. С Вых.1-Вых.N схем объединения CO.1-CO.N данные поступают на систему вторичной обработки РЛС. При этом энергетические потери, обусловленные весовой обработкой, сокращаются в зависимости от местоположения формируемого провала и его ширины на величину, определяемую зависимостями, приведенными на фиг. 5.
Таким образом, заявленный способ обеспечивает формирование матрицы дальность - радиальная скорость (задержка - доплеровский сдвиг) путем многоканальной, как по дальности, так и по радиальной скорости обработке локационных сигналов в условиях ПП при меньших, чем у аналога, энергетических потерях. По сравнению с использованием известного способа с весовым распределением Дольфа-Чебышева с уровнем боковых лепестков - 90 дБ, предложенный способ обеспечивает меньшие на 0.1-2.5 дБ энергетические потери, в зависимости от доплеровского сдвига обнаруживаемого сигнала при более высоком качестве режекции сигналов ПП, чем у аналога.
Литература
1. Справочник по радиолокации под ред. М.И. Сколника. Пер. с англ. Под общей ред. B.C. Вербы. Книга 2. М.: Техносфера, 2014.
2. Трухачев А.А. Радиолокационные сигналы и их применения. - М.: Воениздат, 2005.
3. Дворкович В.П., Дворкович А.В. Оконные функции для гармонического анализа сигналов. М.: Техносфера, 2014.
4. Low angle radar land clutter: measurements and empirical models / J. Barrie Billingsley, William Andrew Publishing, Inc 2002.