ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВРЕМЕННóЙ РЕЖЕКЦИИ ПАССИВНЫХ ПОМЕХ В РЛС С КВАЗИНЕПРЕРЫВНЫМ РЕЖИМОМ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРИЕМА СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ

Радиолокация и радионавигация

УДК 621.376.56

Н. Е. Быстрое, И. Н. Жукова

Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого

Эффективность временной режекции пассивных помех в РЛС с квазинепрерывным режимом излучения и приема сложных сигналов

Исследована помехоустойчивость РЛС с квазинепрерывным режимом излучения и приема сигналов с псевдослучайным законом амплитудной манипуляции при временной режекции мощных пассивных помех. Установлены зависимости предельной дальности обнаружения точечного объекта от параметров зондирующего сигнала при временной режекции отражений от морской поверхности.

Радиолокационные системы, сложные сигналы, квазинепрерывный режим, пассивные помехи, помехоустойчивость, временная режекция

Постановка задачи. В настоящее время в когерентных радиолокационных системах (РЛС) широко применяется квазинепрерывный режим излучения и приема фазоманипули-рованных сигналов с псевдослучайным законом амплитудной манипуляции [1]. В этом режиме работы РЛС зондирующий сигнал излучается отдельными фазоманипулированными посылками, длительность и интервал следования которых значительно меньше диапазона задержек обрабатываемых сигналов. Прием эхосигналов производится в паузах излучения.

Псевдослучайный закон амплитудно-фазовой манипуляции зондирующих сигналов позволяет получить новые качества квазинепрерывных РЛС. Малая длительность излучаемых фазоманипулированных посылок обеспечивает прием и обнаружение эхосигналов в ближней зоне, а псевдослучайный характер их излучения - исключение "слепых" элементов дистанции. Псевдослучайная структура огибающей квазинепрерывных сигналов позволяет выполнить однозначное и совместное измерение дальности и скорости объектов, а большая длительность когерентного сигнала при низком значении его пик-фактора обеспечивает эффективную доплеровскую селекцию целей, свойственную непрерывному излучению.

Характерной особенностью квазинепрерывного режима излучения и приема является зависимость структуры принимаемых эхосигналов от их задержки, поскольку часть активных посылок принимаемых сигналов попадает на моменты времени, когда приемный тракт закрыт. Это приводит к энергетическим потерям, величина которых зависит от пик-фактора квазинепрерывного сигнала.

Большая длительность и малый пик-фактор квазинепрерывных зондирующих сигналов приводят к временному перекрытию отраженных сигналов. Поэтому в реальной обстановке мощные мешающие отражения создают в корреляционных каналах обработки помехи по боковым лепесткам взаимной функции неопределенности (ВФН) сигнала. В результате характеристики обнаружения и разрешения полезных сигналов ухудшаются.

© Быстров Н. Е., Жукова И. Н., 2012

83

Псевдослучайный характер амплитудной манипуляции огибающей зондирующего сигнала позволяет применить специфический способ борьбы с мощными мешающими отражениями, называемый временной режекцией [2]. Суть ее состоит в том, что в моменты поступления на вход устройства обработки импульсов мощных помех они бланкируются в тех дальномерных каналах, задержки опорных сигналов которых отличаются от задержек режектируемых мешающих отражений. Эффективность врем й режекции зависит от параметров применяемых сигналов.

Целью настоящей статьи являются исследование эффективности временной режекции мешающих отражений и оптимизация параметров зондирующего сигнала при квазинепрерывном режиме излучения и приема фазоманипулированных сигналов с псевдослучайным законом амплитудной манипуляции, обеспечивающей повышение помехоустойчивости РЛС.

Математическая модель временной режекции помех. Комплексная огибающая квазинепрерывного амплитудно-фазоманипулированного сигнала, состоящего из N элементарных импульсов длительностью Тд, задается дискретной комбинированной троичной последовательностью и1, = и1, <е 0, ±1 , / = О, N -1, в которой закон манипуляции фазы определяется бинарной последовательностью г^ <е ±1 , а псевдослучайный закон амплитудной манипуляции - двоичной последовательностью хг ё 0, 1 . Пик-фактор квазинепрерывного

N-1 2

зондирующего сигнала определяется соотношением р/ = N/К, где К = ^ Iм7,-1 • Поскольку

1=0

прием отраженных сигналов допустим только в паузах излучения, коммутация приемного тракта производится по закону инверсной (ортогональной) последовательности хг = 1 - хг.

Пусть обрабатываемый входной сигнал представляет собой линейную сумму слабого полезного сигнала, отраженного от удаленного точечного объекта, "белого" шума и помехи, создаваемой отражениями от подстилающей морской поверхности. Обнаружение сигналов ведется многоканальным по задержке с е 1, С и по доплеровскому сдвигу частоты /д е-^д/2, /'д/2 корреляционным устройством обработки. Будем полагать, что задержки те 1, 2, ...,М и доплеровские сдвиги частоты и обрабатываемых сигналов принимают дискретные значения. Комплексная огибающая помехи может быть представлена суммой комплексных огибающих компонентов, отраженных от разрешаемых по задержке фрагментов поверхности, локализованных в достаточно узком диапазоне частот.

Как правило, мощность компонентов помехи Р т в случае, когда главный луч диаграммы направленности антенны направлен параллельно подстилающей поверхности, снижается по дистанции и может быть представлена зависимостью, изображенной на рис. 1. На указанной зависимости можно выделить участок те 1, 2, ..., Мреж с Рис. 1

0

- 25

- 50

- 75 Р/Ртах, дБ

64 Т

128

192

т

повышенной интенсивностью отражений и участок т > с незначительной интен-

сивностью. Отражения от подстилающей поверхности с повышенной интенсивностью создают в удаленных дальномерных корреляционных каналах обработки достаточно высокий уровень помех, маскирующий отклики от слабых полезных сигналов. Поэтому мешающие отражения в таких каналах подвергаются временной режекции. В дальномерных каналах в диапазоне задержек с высокой интенсивностью отражений временная режекция помех не производится. Это позволяет вести прием и обнаружение сигналов внутри зоны режекции, исключая "слепые" элементы дистанции (мертвую зону).

Диапазон задержек мощных отражений предопределяет размер зоны режекции пассивных помех Мреж. В силу априори неизвестного характера изменения мощности помех

по дистанции оценка необходимой зоны режекции может быть дана по превышению порога откликами многоканального устройства корреляционной обработки.

Одна из задач представленных в настоящей статье исследований временной режекции заключается в определении протяженности зоны режекции пассивных помех, при которой она наиболее эффективна с точки зрения увеличения предельной дальности обнаружения.

В практических случаях фазоманипулированная посылка содержит кх элементарных фазоманииулированных импульсов длительностью т(), определяющих разрешающую способность по дальности, и имеет минимальную длительность тх = А'хт(). Поэтому закон амплитудной манипуляции квазинепрерывного сигнала можно описать двоичной последовательностью XI = ^¡/к j, где а. е 0, 1 - исходная двоичная последовательность длиной Ых = [ТУ/кх| ( • и • - наименьшее целое, превосходящее аргумент, и наибольшее целое, не превосходящее аргумента, соответственно). В дальнейшем интервал дальностей

т е кх +1, кх + 2,

2кх , согласованный по задержке с длительностью импульсов ам-

плитудной манипуляции, будем называть кольцом режекции.

Сигнал режекции мешающих отражений в дальномерных корреляционных каналах

м.

К,

^реж -"^реж

формируется в соответствии с выражением хрежг- = [ = [ ау^где К^

= 1Мреж/кх\

=

1=1 /=1

количество колец режекции в зоне локализации помех.

1 рсж

Сигнал на выходе многоканального корреляционно-фильтрового устройства обработки описывается выражением

X с-да, и-у =

N-1

1=0

N-1

1=0

-тх№-се

-у 271¡Ы и-у /'

с < ^рсж + кх ;

т Х1 -^рсж/и/ -се

2п/Ы и-у /'

Л^рсж +кх

где - символ комплексного сопряжения.

В отсутствие временной режекции коэффициент приема, характеризующий энергетические потери при приеме сигналов, для дальномерных каналов, относящихся к зоне с < Л</рСЖ, в каждом из них зависит от значения взаимной функции корреляции сигналов

коммутации приемно-передающего тракта и определяется выражением [2]:

N-1 / (N-1 N-1 Л

Ас

/= О

xixi-c /К —

xixi-c

/К = 1-Х с /К,

Z хг-с - Z

V i=o í=o

где X с - функция корреляции двоичной последовательности x¡ е О, 1 .

Характерная зависимость Л с коэффициента приема в указанных каналах обработки приведена на рис. 2 для сигнала с пик-фактором pf = 5 и kx —16 (кривая У).

Среднее по каналам обработки значение коэффициента приема связано с пик-фактором зондирующего сигнала соотношением ЛСр =1 — 1/pf. Пик-фактор принятого сигнала определяется выражением р/щ= pf jЛср = pf2/ pf -1 .

При временн0й режекции помех функция приема сигналов (2) преобразуется к виду

N-1 / N-1 Мреж /

Лреж c = ^ х/хреж/х/-с /К = У! xi П xi-lxi-c К.

i=0 / i=0 1=1 /

Зависимость коэффициента приема сигналов с пик-фактором pf = 5 и кх — 16 при

режекции отражений в трех кольцах дальности К^еж — 3 представлена на рис. 2 кривой 2.

Среднее значение коэффициента приема в удаленных дальномерных каналах можно оценить по выражению

ЛсрРеж= /Р/К*еж+1-

Пик-фактор принятого сигнала определяется выражением

PfuV Pf, ^реж = Pf \_Pf¡ Pf ~ 1 fР£Ж +1

и является функцией двух переменных: pf и Креж.

Как следует из выражения (1), все активные посылки сигналов с задержками те 1, 2, ..., Мреж совпадают во времени с моментами, когда -Х"режг- =0, что и обеспечивает их временную режекцию. В резуль-

Л, л.

реж

0.75 0.50 0.25

0

64

128 Рис. 2

192

тате, если в этой группе дальномерных каналов присутствуют мощные отражения, то они не создают помех обнаружению полезных удаленных по задержке сигналов. Однако часть активных посылок полезных сигналов с задержками т = с> Мреж + кх ,

совпадающие во времени с л"режг- = 0, также

c

подвергается временной режекции, что приводит к дополнительным энергетическим потерям при их приеме. Эти потери зависят от временного перекрытия мощных отражений и слабых полезных сигналов и характеризуются величиной

I К,

реж

У Р/Лреж =Лср/Лсрреж =р/щ> р/, *реж / Р/щ> 0 =[р// Р/~1 ]

отражающей различие в средних значениях коэффициента приема (см. рис. 2).

Для фиксированного значения р/ потери возрастают при увеличении числа режек-тируемых колец Креж.

Математическое описание временной режекции помех (а частности, выражения (3)-(5)) являются обоснованнием выбора значений параметров квазинепрерывных сигналов при временной режекции помех. Из приведенных выражений можно видеть, что при К^сж = 1

обеспечиваются минимальное значение пик-фактора принятого сигнала, максимальное значение коэффициента приема и, следовательно, минимальные потери при любом значении р/ квазинепрерывного сигнала. При этом зона режекции помех ограничена одним кольцом Л</рСЖ = кх. При наличии в передающем устройстве ограничений на длительность

излучаемых импульсов тх — кхт{) режекция помех в одном кольце дальности не всегда обеспечивает требуемую зону временной режекции помех. В этом случае требуемый размер ее зоны достигается увеличением числа режектируемых колец дальности К^сж = Л^рсж /

В результате пик-фактор принимаемых сигналов увеличивается, ЛСр уменьшается, а

энергетические потери возрастают.

Для оптимизации параметров зондирующего сигнала необходимо установить значение пик-фактора р/, при котором достигаются минимальные энергетические потери при приеме сигналов для требуемых значений кх и Креж.

Зависимости р/пр р/ для ряда значений Креж (рис. 3) показывают, что для каждого требуемого числа колец режекции существует значение пик-фактора зондирующего сигнала, при котором пик-фактор принятого сигнала минимален.

Минимизация р/щ по р/ в выражении (5) приводит к следующей зависимости:

рЛ г  =^пеж+2.

1»/1„—ШШ1 Реж 4 '

Значение пик-фактора зондирующего сигнала при временной режекции помех, удовлетворяющее равенству (7), будем называть оптимальным.

Прямая 2 на рис. 3, проходящая через минимумы зависимостей р/пр р/ , отражает оптимальное значение пик-фактора р/прре5^ р/ в соответствии с (7). При

р/пр 80 60 40 20

0

10

20 Рис. 3

30

р/ 87

этом значение коэффициента приема стремится к значению Лср opt = lim 1-1//;/' ^ 1 =

реж pf~->с0

= 1/е = 0.368. Потери в данном случае не будут превышать е раз.

Оценка отношения "сигнал/(шум+помеха)" при временной режекции помех.

Выразим отношение "сигнал/(шум+помеха)" через мощности полезного сигнала, компонент аддитивной смеси помех и шума на входе устройства корреляционной обработки, а также через основные характеристики ВФН амплитудно-фазоманипулированных сигналов при квазинепрерывным режиме их излучения и приема. Как показано в [2], [3], модуль ВФН представляется "кнопочной" функцией с равномерным пьедесталом и "гребнем" при т = с с повышенным уровнем боковых лепестков. Гребень обладает треугольным (в линейном масштабе) профилем вдоль оси задержек протяженностью 2kx -1 и практически равномерен по частоте (рис. 4).

Уровень главного пика хга и среднеквадратический уровень боковых лепестков %п

х сдвигов, с Ф т, и ^ v ("пьедестал") описываются как хга = М/р/пр Pf, Kреж ; Хп= ^/[p/пр Pf > Креж Pf~\

Временная режекция устраняет помехи из выбранной зоны дальности безотносительно значения доплеровского сдвига частоты. Изменение по дистанции предельно достижимого значения отношения "сигнал/(шум+помеха)" в случае, когда полезный сигнал маскируется помехами, пропорционально уровню боковых лепестков только "пьедестала" ВФН и определяется выражением [4]:

q с =Рс с Хга/ РшХгл + PiixS ,

2 2

где Рс с = I'Cj X о,

J

4п 3 D4 с

- мощность обнаруживаемого сигнала, отраженного от точечного объекта с эффективной площадью рассеяния (ЭПР) ос, расположенного на

дальности В с (О - коэффициент усиления в передающем и в приемном трактах; Я -длина волны); Рш - мощность собственных шумов приемного тракта; Рп - мощность помех, оставшихся после временной режекции, причем РПИК - пиковая мощность пе-

/

редатчика.

Величина

Рп с учетом функции

приема (3) определяется выражением

Мтах

7 П = I т Лреж т /ЛСр »7=1

реж '

¿и/

2кх-\

Рис. 4

2 2 / 3 4

где Р т = РтшкО Хот/ 4л с! с - мощность отражений от участка поверхности

с ЭПР а т , расположенного на дальности т .

С учетом линейного характера нарастания Лреж т от 0 до 1 для

т <е КрСжкх +1, КрСжкх +2, ..., К^еж +1 кх выражение (9) может быть представлено в

^реж+1 К

'шах -реж'— х( т~Кп^к Л

виде РП = X Р т - X

т

=К„^ку.+1 т=К„^ку.+1

^ рсж" X

у

Р да .

Предельная дальность обнаружения объекта с заданной ЭПР при временной режек-ции помех определяется из (8) выражением

^пред 4

у 471 ^ш#трР/прреж Р/> ^реж ' + Яп/ш к х-* ^реж /Р/] где qтр - требуемое отношение "сигнал/(шум+помеха)" на выходе устройства обработки, обеспечивающее вероятность правильного обнаружения при фиксированном значении ложной тревоги; qTÍ|m кх, К^еж — Ри/Рш - отношение остаточной мощности помех к

мощности шума на входе устройства обработки.

При Креж = 0 выражение (10) описывает дальность обнаружения на фоне помех без

временной режекции. В отсутствие помех с/пш = 0 выражение (10) задает предельную

дальность обнаружения на фоне шумов.

Исследование эффективности временной режекции помех. Изменение предельной дальности обнаружения ^ред при введении временной режекции отражает эффективность борьбы с помехами и служит критерием оптимальности при выборе параметров зондирующего сигнала.

Эффективность временной режекции оценим коэффициентом увеличения предельной дальности обнаружения при фиксированных значениях пиковой мощности передатчика и длительности зондирующего сигнала:

у к =ДпрЗДреж | pf + q^ш кХ,0

^Атрсд р pf, Креж 'Уп/ш Р/ > ^реж

Полученный выигрыш определяется остаточным уровнем помех и энергетическими потерями приема эхосигналов (6). Изменяя пик-фактор зондирующего сигнала pf и размер зоны режекции М^еж =К^ежкх, можно менять остаточный уровень помех £/,,/,„ кх, К^еж ,

величину энергетических потерь у р/, К^еж в поисках максимального значения

^пред и как следствие наибольшей эффективности временной режекции.

Зависимости коэффициента увеличения предельной дальности обнаружения от параметров зондирующего сигнала р/ и Креж представлены на рис. 5. Построение выпол-

Л 28 22 18 10

К = 64= ^реж = 3

кх 32, 5

Л

24 16 8

кх=М,р/ = 5

кх=Ъ2,рГ = 1

кх=16,р/ = п

10

18 а

26

Р/ Рис. 5

0

3

6 б

9

К

реж

нено для обнаружения цели с ЭПР 10м, пиковой мощности передатчика У^щк = 20 Вт при изменении мощности отражений от морской поверхности по дистанции, представленной зависимостью на рис. 1. Длина зондирующего сигнала N —14 290. На рис. 5, а показаны зависимости г| р/ , а на рис. 5, б - зависимости т| Креж при ряде наборов параметров кх,

Креж р/. Из представленных зависимостей следует, что для любых значений р/ или Креж

найдется такая пара значений двух остальных параметров, при которой выигрыш в дальности обнаружения будет максимальным. Для представленных на рис. 5 сочетаний параметров максимальное увеличение предельной дальности обнаружения Впред составило около 30 раз.

Для выяснения условий, при которых достигается максимум предельной дальности обнаружения, рассмотрим зависимости остаточного уровня помех от числа режек-тируемых колец дальности (рис. 6). Сопоставив зависимости на рис. 5, б и на рис. 6 можно заметить, что максимальный выигрыш для фиксированного кх наблюдается

при qTÍ|m кх, К.реж — 1, т. е. при снижении помех до уровня шума. Размер зоны режекции Мреж, при котором выполняется указанное условие, одинаков для всех пар Креж и кх.

Наличие оптимального размера зоны режекции М,

реж

=1

объясняется сле-

9п/ш ^х' ^реж

дующими соображениями. Если выбранная зона режекции мала (число режектируемых колец дальности недостаточно для выбранного кх ) и остаточный уровень помех высок

то предельная дальность обнаружения будет незначительна. С уве-

[^/п/ш ^х? ^-реж '

<7п/ш > дБ

40

- 40

реж

личением зоны режекции пик-фактор принятого сигнала повышается медленнее, чем снижается остаточный уровень помех #п/ш кх, Креж . В результате предельная

дальность обнаружения повышается. После того, как уровень помех снизится до уровня

шума [¿/п/ш кх, Крсж

= 1

дальнейшее

увеличение зоны режекции становится не-

Рис. 6

2

0

целесообразным: при £/,,/,„ кх, Креж <1 пик-фактор принятого сигнала, а вместе с ним и

энергетические потери, резко растут, тогда как дальность обнаружения снижается.

Абсолютный максимум предельной дальности обнаружения £>пред достигается при максимальном и равном Мреж значении kx, т. е. при минимальном числе режектирумых колец дальности Креж =1 . Уменьшение кх снижает предельную дальность обнаружения /)ПрСД. Локальный максимум ¿Лред достигается совместной оптимизацией значений pf и Креж.

Поиск экстремумов функции (10) привел к выражению для пик-фактора зондирующего сигнала, при котором предельная дальность обнаружения максимальна:

Pf\Pmax> =— ^реж + 2 + J ^реж + ^ + 4 К„сж +1 <7П/Ш кх, К„сж .

const zL ' -I

В отличие от выражения (7) выражение (11) отражает оптимальное значение пик-фактора, при котором достигается локальный максимум предельной дальности обнаружения. Однако эта дальность ниже дальности обнаружения в шумах. Потери в дальности обнаружения оцениваются отношением

V Pf> Креж = Афедшум/Афедреж = ^"р^^Кре^^^ЛШ^Х^Кре^Р^. (12) Как следует из (12), при снижении помех ниже уровня шума |^/п/ш кх, Крсж <1 значение ц pf, Креж стремится к ^ . При значении пик-фактора, полученном из (7), уменьшение дальности обнаружения не может превышать у[ё = 1.284.

В результате проведенных исследований могут быть сделаны следующие выводы. При установленных ограничениях на пиковую мощность, на время когерентной обработки сигналов и на длительность излучаемых фазоманипулированных посылок проведенные исследования позволяют:

установить критерий оптимальности размера зоны режекции, при которых достигается максимальная дальность обнаружения;

• установить набор параметров, при котором наблюдается абсолютный максимум дальности обнаружения, а также соотношения параметров, при которых максимум будет локальным;

• оценить увеличение дальности обнаружения при выполнении временной режекции помех, а также величину потерь дальности по сравнению с обнаружением в шумах.

Таким образом, временная режекция является эффективным методом борьбы с мешающими отражениями от подстилающей поверхности. Оптимизация параметров зондирующего сигнала с псевдослучайным законом амплитудной манипуляции обеспечивает значительное повышение помехоустойчивости квазинепрерывных РЛС.

Список литературы

1. Радиолокационные системы специального и гражданского назначения. 2010-2012 / под ред. Ю. И. Белого. М.: Радиотехника, 2011. 920 с.

2. Гантмахер В. Е., Быстров Н. Е., Чеботарев Д. В. Шумоподобные сигналы. Анализ, синтез, обработка. СПб.: Наука и техника, 2005. 400 с.

3. Быстров Н. Е., Жукова И. Н. Модель оценки помехоустойчивости РЛС с квазинепрерывным режимом излучения и приема сигналов с псевдослучайной структурой огибающей // Вестн. НовГУ. Сер. Техн. науки, 2011. № 65. С. 50-55.

4. Морская радиолокация / под ред. В. И. Винокурова. Л.: Судостроение, 1986. 256 с.

N. E. Bystrov, I. N. Zhukova Yaroslav-the-Wise Novgorod state university

Interference time rejection efficiency in radars with quasicontinuous transmission of wide band signals

Interference immunity of radar with quasicontinuous transmission of signals with pseudorandom amplitude keying while applying time rejection of high-power passive interference is researched. Dependences of maximum range of detection of point object on parameters of a probing signal are set in case of time rejection of reflections from a sea surface.

Radar systems, wide band signals, quasicontinuous mode, passive interferences, interference immunity, time rejection

Статья поступила в редакцию 10 декабря 2012 г.

УДК 621.321:621.396

А. В. Данилов

Северокавказский филиал Московского технического университета

связи и информатики

Повышение эффективности радиолокационного обнаружения морских целей

Исследована возможность снижения влияния радиолокационных помех от морской поверхности на обнаружение слабых сигналов при применении метода нелинейного подавления негауссовских помех.

Морская радиолокация, логнормальные помехи, нелинейная обработка

Радиолокационный отклик от морских целей сопровождается маскирующим действием мерцающих отражений от взволнованной морской поверхности. Отражения от моря существенно затрудняют обнаружение различных морских объектов: лодок, катеров, небольших объектов поиска при проведении розыскных и спасательных операций.

Характеристики морских отражений подробно рассмотрены в [1], где показано, что отражения от поверхности моря при определенных условиях радиолокационного наблюдения следует рассматривать как сигналы с негауссовскими статистическими свойствами. Это обстоятельство открывает дополнительные возможности повышения эффективности обнаружения морских целей оптимизацией обработки сигнала в радиолокационном приемнике с учетом статистических отличий мешающих отражений от гауссовского процесса.

Вероятностное описание морских отражений возможно только на базе экспериментальных результатов исследования статистических характеристик отраженного сигнала. В большинстве практических задач в качестве основной вероятностной модели описания пассивных помех применяется нерелеевское распределение огибающей отраженного сигнала [2]. ©2Данилов А. В., 2012