СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В РАДИОЛОКАТОРАХ С АНТЕННЫМИ РЕШЕТКАМИ
METHOD AND DEVICE FOR FORMING AND PROCESSING SIGNALS IN RADARS WITH ANTENNA GRIDS

Изобретение относится к области радиолокации, а именно к системам формирования и обработки широкополосных импульсных сигналов с частотной и фазокодовой модуляцией в импульсных радиолокаторах с антенными решетками, и может быть использовано в авиации для организации воздушного движения.
Надежность обнаружения воздушных объектов в импульсных радиолокаторах с антенными решетками зависит в значительной степени от выбора формирования и обработки широкополосных импульсных сигналов. Например, увеличение дальности обнаружения воздушных объектов, повышение помехозащищенности, разрешающей способности и точности измерения по дальности возможно лишь при обеспечении малого уровня боковых лепестков корреляционных функций сигналов, увеличения энергии излучения сигналов, уменьшения влияния доплеровского смещения частоты, эффективном использования спектров частот сигналов и т.п. [1-6].
Известны способы формирования и обработки широкополосных импульсных сигналов с частотной модуляцией (ЧМ) с малым уровнем боковых лепестков корреляционных функций для обеспечения высокой разрешающей способности по дальности.
Известен способ уменьшения уровня боковых лепестков корреляционных функций сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) за счет весовой обработки на базе функций Хемминга, Наталла, Тейлора, Чебышева в частотной области [1, 4, 6].
Известен способ формирования широкополосных импульсных сигналов с нелинейной частотной модуляцией (НЧМ), обеспечивающий при формировании меньшие боковые лепестки корреляционных функций сигналов по сравнению с ЛЧМ сигналами, но при этом возрастают требования к амплитудно-фазовым искажениям модулей антенных решеток и ухудшается точность измерения дальности до целей при наличии доплеровского смещения частоты [1, 4, 6-8].
Особое место среди кодов широкополосных импульсных сигналов с фазокодовой модуляцией занимают коды Баркера, у которых при формировании и обработке обеспечивается минимальный уровень боковых лепестков корреляционных функций сигналов по сравнению с другими широкополосными сигналами [1-6]. Однако число элементов (М) кодов Баркера с минимальным уровнем боковых лепестков корреляционных функций сигналов ограничено (не более 13), что не позволяет увеличивать энергию излучения сигналов за счет увеличения длительности зондирующих сигналов без увеличения уровня боковых лепестков [1-6].
Недостатками указанных выше способов являются ограниченные возможности по повышению ряда технических характеристик современных импульсных радиолокаторов с антенными решетками в части увеличения дальности обнаружения целей, повышения помехозащищенности, разрешающей способности и точности измерения по дальности, эффективного использования спектров частот сигналов и т.п. [1-8].
Дальнейшим развитием широкополосных импульсных сигналов с фазокодовой модуляцией являются производные (составные) системы сигналов на базе кодов Баркера и Уолша, которые нашли применение в сотовой связи третьего поколения для обеспечения повышения скорости передачи данных, значительного увеличения абонентского алфавита сигналов (или кодовых последовательностей), повышения помехозащищенности и т.п. При этом организация параллельного излучения элементов производной системы сигналов и асинхронного режима совместной работы многих абонентов обеспечивается специфической обработкой производной системы сигналов путем кодового разделения каналов в RAKE-приемниках [10, 11, 13].
Алгоритмы работы сотовой связи третьего поколения, в которой применяются производные (составные) системы сигналов на базе кодов Баркера и Уолша, отличаются от алгоритмов работы радиолокаторов с антенными решетками. Требуется новый подход к формированию и обработке широкополосных импульсных сигналов на элементах производной системы сигналов с учетом алгоритмов работы радиолокаторов с антенными решетками, который заключается в том, что происходит излучение сигналов, сформированных путем последовательного соединения элементов производной системы сигналов.
Наиболее близким заявленному способу является способ формирования и обработки широкополосных импульсных сигналов на базе кодов Баркера в радиолокаторах с антенными решетками.
В способе, выбранном за прототип, в передающем канале радиолокатора с антенными решетками осуществляются формирование, усиление и излучение широкополосных импульсных радиосигналов, модулированных кодами Баркера, а в приемном канале осуществляются прием и усиление радиосигналов, согласованная обработка кодов Баркера, а также принятие решения о наличии сигналов, отраженных от воздушных объектов [1, 2, 3].
Для реализации способа, выбранного за прототип, необходимы в передающем канале радиолокатора генератор кодов Баркера, выход которого подключен к последовательно соединенным модулятору и передающим модулям антенной решетки, а в приемном канале радиолокатора - приемные модули антенной решетки, выход которых подключен к последовательно соединенным демодулятору, согласованному фильтру для кодов Баркера и решающему устройству.
Основным недостатком прототипа является наличие ограничения числа элементов (М) кодов Баркера (не более 13) с малыми боковыми лепестками корреляционных функции сигналов, что соответственно ограничивает увеличение энергии излучения в антенных решетках при сохранении малого уровня боковых лепестков. Это связано с тем, что увеличение энергии излучения в антенных решетках при использовании твердотельных модулей обеспечивается в основном за счет увеличения длительности импульсов излучаемых радиосигналов. Кодовые последовательности, обладающие свойствами кодов Баркера для числа элементов (М) больше 13, в настоящее время не существуют, поэтому задача нахождения псевдослучайных последовательностей (ПСП) с числом элементов больше 13 и малыми боковыми лепестками корреляционных функций сигналов решается либо перебором, либо методом последовательных приближений на ЭВМ [5, 10, 11].
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в увеличении энергии излучения в антенных решетках при сохранении малого уровня боковых лепестков корреляционных функций сигналов, а также в повышении технических характеристик широкополосных импульсных радиолокаторов с антенными решетками в части увеличения дальности обнаружения целей, повышения помехозащищенности, разрешающей способности и точности измерения по дальности, эффективного использования спектров частот сигналов за счет алгоритмов, обеспечивающих в передающем канале радиолокатора формирование импульсных сигналов в виде последовательности элементов производной системы сигналов на базе кодов Баркера и Уолша, а в приемном канале радиолокатора - оптимальную обработку импульсных сигналов, модулированных элементами производной системы сигналов на базе кодов Баркера и Уолша.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе формирования и обработки сигналов в радиолокаторах с антенными решетками, включающем в передающем канале операции генерирования кодов Баркера, модуляции, усиления и излучения радиосигналов передающими модулями антенной решетки в пространство, а в приемном канале - операции приема и усиления радиосигналов приемными модулями антенной решетки, демодуляции и выдачи решения о наличии сигналов потребителю, дополнительно введены в передающий канал операции генерирования кодов Уолша, формирования элементов производной системы сигналов на базе кодов Баркера и Уолша, формирования сигналов на основе элементов производной системы сигналов, а в приемный канал дополнительно введены операции формирования копий элементов производной системы сигналов на базе кодов Баркера и Уолша, многоканальной корреляционной обработки сигналов, задержки сигналов в каждом канале корреляционной обработки для совмещения их во времени и суммирования сигналов.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве формирования и обработки сигналов в радиолокаторах с антенными решетками, содержащем в передающем канале генератор кодов Баркера, модулятор, выход которого подключен к входу передающих модулей антенной решетки, а в приемном канале - приемные модули антенной решетки, выход которых подключен к входу демодулятора, и решающее устройство, через выход которого радиолокационная информация поступает потребителю, дополнительно введены в передающий канал генератор кодов Уолша, выход которого подключен к первому входу формирователя элементов производной системы сигналов, ко второму входу которого подключен выход генератора кодов Баркера, а выход формирователя элементов производной системы сигналов подключен к входу формирователя импульсных сигналов на основе элементов производной системы сигналов, выход которого подключен к входу модулятора, а в приемный канал дополнительно введены формирователь копий элементов производной системы сигналов, выход которого подключен ко второму входу многоканального коррелятора, к первому входу которого подключен выход демодулятора, выходы многоканального коррелятора подключены к входам многоканального устройства задержки сигналов во времени, выходы которого подключены к входам сумматора сигналов, а выход сумматора сигналов подключен к входу решающего устройства.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства формирования и обработки сигналов в радиолокаторах с антенными решетками, где обозначены:
1 - генератор кодов Баркера;
2 - формирователь элементов производной системы сигналов;
3 - генератор кодов Уолша;
4 - формирователь импульсных сигналов;
5 - модулятор;
6 - передающие модули антенной решетки;
7 - приемные модули антенной решетки;
8 - демодулятор;
9 - многоканальный коррелятор;
10 - формирователь копий элементов производной системы сигналов;
11 - многоканальное устройство задержки сигналов;
12 - сумматор сигналов;
13 - решающее устройство.
Блоки, являющиеся стандартными для радиолокатора (такие как блоки питания, синхронизации и т.п.), на фиг. 1 не показаны.
Передающий канал устройства содержит модуль формирования сигналов, вход которого подключен к выходу генератора кода Баркера 1, а выход подключен к входу модулятора 5.
Приемный канал устройства содержит модуль обработки сигналов, вход которого подключен к выходу демодулятора 8, а выход подключен к входу решающего устройства 13.
Модуль формирования сигналов содержит формирователь элементов производной системы сигналов 2, первый вход которого подключен к выходу генератора кодов Баркера 1, а второй вход подключен к выходу генератора Уолша 3, выход формирователя элементов производной системы сигналов 2 подключен к входу формирователя импульсных сигналов 4, выход которого подключен к входу модулятора 5.
Модуль обработки сигналов состоит из многоканального коррелятора 9, первый вход которого подключен к выходу демодулятора 8, второй вход многоканального коррелятора 9 подключен к выходу формирователя копий элементов производной системы сигналов 10, а выход многоканального коррелятора 9 подключен к входу многоканального устройства задержки сигналов 11, выход которого подключен к входу сумматора сигналов 12, а выход сумматора сигналов 12 подключен к входу решающего устройства 13.
Устройство формирования и обработки сигналов в радиолокаторах с антенными решетками работает следующим образом.
В передающем канале в генераторе кодов Баркера 1 и генераторе кодов Уолша 3 формируются соответственно коды Баркера и коды Уолша, которые подаются на формирователь элементов производной системы сигналов 2.
В качестве примера рассмотрено формирование элементов производных сигналов на базе кодов Баркера с числом элементов М=7 и кодов Уолша N=8 порядка, а также результаты моделирования в среде MathCAD.
В результате сложения по модулю два кодов Уолша N=8 порядка с кодами Баркера с числом элементов М=7 последовательности элементов производной системы сигналов имеют вид:
В формирователе импульсных сигналов 4 формируются широкополосные импульсные сигналы в виде последовательности элементов производной системы сигналов.
На фиг. 2 приведен широкополосный импульсный сигнал в виде последовательности элементов производных сигналов на базе кодов Уолша N=8 порядка и Баркера с числом элементов М=7, что позволяет увеличить энергию излучения в 8 раз. Увеличение числа элементов производной системы сигналов по отношению к кодам Баркера определяется порядком N кодов Уолша. При этом максимальное число элементов системы производных сигналов на базе кодов Баркера и кодов Уолша составляет 196, что позволяет выбирать длительность зондирующих импульсных сигналов с фазокодовой модуляцией для необходимого увеличения излучения энергии передающими твердотельными модулями антенной решетки.
На фиг. 3 и 4 приведены корреляционные функции широкополосного импульсного сигнала в виде последовательности элементов производных сигналов на базе кодов Уолша N=8 порядка и Баркера с числом элементов М=7, на которых видно, что уровни боковых лепестков корреляционных функций имеют малую величину, являются периодическими и находятся попарно в противофазе. Поэтому предлагаемая обработка элементов приведенных сигналов в приемном канале радиолокаторов позволяет компенсировать боковые лепестки.
Сформированные таким образом сигналы подаются на вход модулятора 5, преобразующего их в радиосигналы, которые усиливаются и излучаются передающими модулями антенной решетки 6 в пространство.
В приемном канале радиолокатора приемными модулями антенной решетки 7 принимаются и усиливаются радиосигналы, которые затем поступают на демодулятор 8.
С выхода демодулятора 8 импульсные видеосигналы поступают на вход многоканального коррелятора 9, на второй вход которого поступают копии элементов производной системы сигналов с формирователя копий элементов производной системы сигналов 10.
В многоканальном корреляторе 9 широкополосные импульсные сигналы в виде последовательности элементов производной системы сигналов разделяются по форме в каждом канале коррелятора с помощью копий элементов производной системы сигналов, сформированных в формирователе элементов производной системы сигналов 10.
Вид корреляционных функций широкополосного импульсного сигнала в виде последовательности производной системы сигналов приведен на фиг. 3, 4. При этом на формирование корреляционных функций производной системы сигналов оказывают влияние такие свойства ортогональных функций, как: произведение ортогональных функций дает ортогональную функцию, сумма среднего каждого элемента производных сигналов равна нулю и т.п. [10, 11, 13].
Многоканальное устройство задержки сигналов 11 обеспечивает на выходе каждого канала коррелятора задержку сигналов для совмещения их во времени, что обеспечивает сложение амплитуд в сумматоре сигналов 12.
На фиг. 5 приведена корреляционная функция широкополосного импульсного сигнала из последовательности элементов производной системы сигналов на выходе сумматора сигналов 1-2.
Ввиду того, что боковые лепестки корреляционных функций попарно находятся в противофазе, происходит их взаимная компенсация при совпадении во времени, а амплитуды основных лепестков складываются, что обеспечивает высокую разрешающую способность по дальности.
В решающем устройстве 13 обеспечивается выделение сигналов на фоне помех и шумов, после чего радиолокационная информация направляется потребителям.
В качестве примера проведена оценка повышения помехоустойчивости способа формирования и обработки сигналов в радиолокаторах с антенными решетками при формировании и обработке широкополосного импульсного сигнала в виде последовательности элементов производных сигналов на базе кодов Уолша N=8 порядка и Баркера с числом элементов М=7 с помощью моделирования в среде MathCAD.
Результаты моделирования приведены на фиг. 6-9, где соответственно изображены:
- импульсный сигнал в виде последовательности элементов производной системы сигналов на входе многоканального коррелятора 9 (фиг. 6);
- шум на входе многоканального коррелятора 9 (фиг. 7);
- смесь импульсного сигнала в виде последовательности элементов производной системы сигналов и шума на входе многоканального коррелятора 9 (фиг. 8);
- корреляционная функция смеси импульсного сигнала в виде последовательности элементов производной системы сигналов и шума на выходе сумматора сигналов 12 (фиг. 9).
На фиг. 9 видно, что на входе решающего устройства 13 помехи и шумы значительно устранены, в результате чего обеспечивается повышение помехозащищенности и разрешающей способности по дальности.
Такой результат объясняется тем, что при кодовом разделении элементов производной системы сигналов в многоканальном корреляторе 9 спектральные плотности узкополосных помех и шума при умножении на копии элементов производной системы сигналов значительно расширяются. В результате этого в узкую полосу каждого канала многоканального коррелятора 9 попадает лишь часть мощности помех и шума, поэтому они будут ослаблены в соответствии с величиной базы широкополосных импульсных сигналов, которая в рассматриваемом случае равна В=64 [1, 4, 6].
i
Уменьшение влияния доплеровского смещения частоты на корреляционные функции сигналов на базе элементов производной системы сигналов обеспечивается за счет того, что корреляционная обработка широкополосного импульсного сигнала проводится отдельно для каждого из N элементов Ψ(t) производной системы сигналов, длительность которых определяется длительностью кода Баркера [4, 8].
Таким образом, способ и устройство формирования и обработки сигналов в радиолокаторах с антенными решетками позволяют увеличить энергию излучения широкополосных импульсных сигналов, повысить разрешающую способность, точность измерения по дальности и эффективность использования спектра частот сигналов.
Предлагаемое изобретение применимо для радиолокаторов с антенными решетками на базе твердотельных модулей, обеспечивающих обнаружение воздушных объектов, и может быть использовано в авиации для организации воздушного движения.
Предложенное устройство формирования и обработки сигналов в радиолокаторах с антенными решетками может быть реализовано на современных аппаратно-программных и вычислительных средствах.
Литература
1. Справочник по радиолокации. / Под ред. М.И. Сколника. Пер. с англ. под общей ред. B.C. Вербы. В 2 книгах. Книга 1. М.: Техносфера, 2014. 672 с.
2. Бакулев П.А. Радиолокационные системы. Учебник для вузов. - М.: Радиотехника, 2004. 320 с. (прототип).
3. Радиолокационные системы: Учеб. / В.П. Бердышев, Е.Н. Гарин, А.Н. Фомин [и др.]; под общ. ред. В.П. Бердышева. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. 400 с.
4. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. Пер. с английского под ред. В.С. Кельзона. М.: Изд-во «Советское радио», 568 с.
5. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 384 с.
6. Денисенко А.Н. Сигналы. Теоретическая радиотехника. Справочное пособие. М.: Горячая линия - Телеком, 2005. 704 с.
7. Иванников А.П., Иванников Д.А. Метод синтеза импульсных сигналов с нелинейной частотой модуляции, Радиотехнические и телекоммуникационные системы, №2, 2015 г., 11-17 с.
8. Иванников А.П., Иванников Д.А. Способ уменьшения влияния доплеровского смещения частоты в РЛС высокой мощности с частотной модуляцией, Радиотехнические и телекоммуникационные системы, №4, 2015 г., 20-28 с.
9. Камнев В.Ф., Аболиц А.И., Акимов А.А., Белов А.С., Бобков В.Ю., Целехатый М.И. Системы спутниковой связи с эллиптическими орбитами разнесением ветвей и адаптивной обработкой. М.: Гобсеком, 2008. 724 с.
10. Ратынский М.В. Основы сотовой связи. / Под ред. Д.Б. Зимина. - М.: Радио и связь, 1998. 248 с.
11. Никитин Г.И. Применение функций Уолша в сотовых системах связи с кодовым разделением каналов: Учеб. пособие. / СПб.: СПбГУАП, 2003. 86 с.
12. Иванников А.П., Иванников Д.А. Способ разрешения по дальности двух соседних сжатых ЧМ на выходе весовой обработки, Радиотехнические и телекоммуникационные системы, №3, 2016 г., 17-47 с.
13. Хармут Х.Ф. Передача информации ортогональными функциями. Пер. с англ. Дядюнова Н.Г. и Сенина А.И. М.: «Связь», 1975. 272 с.