УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ
APPARATUS FOR PROCESSING RADAR SIGNALS

Настоящее изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано в береговых, самолетных и корабельных радиолокаторах, в частности, использующих фазированные антенные решетки, для подавления помех от морской поверхности.
Известна адаптивная приемная антенная решетка (Brennan L.E., Reed I.S. and Swerling B. Adaptive arreys. "Microwave Journal", 1974, vol.17, №5, рр.43-45), в которой производится автоматическое подавление пассивных помех от местных предметов. Это устройство состоит из приемных элементов решетки и сумматора. На выходе каждого приемного элемента включена цепь управления, состоящая из первого и второго перемножителей, комплексно сопряженного элемента, фильтра нижних частот (ФНЧ), суммирующего усилителя. Вход комплексно сопряженного элемента и один из входов первого перемножителя подключены к выходу соответствующего приемного элемента. Вход комплексно сопряженного элемента соединен с одним из входов второго перемножителя, выход которого подключен ко входу ФНЧ. Выход ФНЧ соединен с одним из входов суммирующего усилителя, на второй вход которого подается напряжение сканирования диаграммы направленности (ДН) антенной решетки. Выход суммирующего усилителя соединен со вторым входом первого перемножителя, у которого выход соединен с соответствующим входом сумматора. Вторые входы вторых перемножителей всех цепей управления подключены к выходу сумматора. Отраженные от целей сигналы поступают в приемные элементы антенной решетки, с выхода которых они проходят в соответствующие цепи управления. В каждой цепи управления принятый сигнал поступает на комплексно сопряженный элемент, на выходе которого выделяется сигнал, комплексно сопряженный принятому. Этот сигнал вместе с выходным сигналом сумматора поступает на второй перемножитель. В цепи, образованной вторым перемножителем и ФНЧ, вычисляется взаимная корреляционная функция принятого сигнала и выходного сигнала сумматора. Сигнал с выхода ФНЧ поступает на один вход суммирующего усилителя, на второй вход которого поступает напряжение сканирования ДН. Сигналы с выхода суммирующего усилителя и принятые сигналы поступают на входы первого перемножителя, в котором они перемножаются. Сигналы с выходов первых перемножителей всех цепей управления поступают на соответствующие входы сумматора, в котором они суммируются.
В рассматриваемом устройстве на направлениях прихода помех под воздействием цепей управления автоматически формируются минимумы ДН. Для такого установления минимумов ДН требуется определенное время на регулирование (до 200 мсек в описании устройства). Под воздействием напряжения сканирования ДН, поступающего на входы суммирующих усилителей, в ДН формируется основной лепесток в заданном направлении.
Недостатком известного устройства является его малое быстродействие, например, при подавлении помех от морской поверхности. Эти помехи при обзоре непрерывно изменяются (например, по азимуту, дальности и т.д.), ввиду чего при малом быстродействии устройства подавление их недостаточное. Недостатком известного устройства является также его относительная сложность, а также невозможность обнаружить цель, находящуюся между антенной и морской поверхностью, так как в этом случае сигнал цели и помеха приходят с одного и того же направления).
Известно устройство с корреляционной обратной связью (см. Ширман Я.О. Разрешение и сжатие сигналов. М., "Советское радио", 1974 г., стр.286-287), содержащее основную и компенсационную антенны, сумматор, два регулируемых усилителя, два коррелятора и фазовращатель, обеспечивающий поворот фазы проходящего через него сигнала на 90°. Выходы основной антенны и регулируемых усилителей подключены к соответствующим входам сумматора. Первые входы корреляторов соединены с выходом сумматора, а их выходы подключены к управляющим входам соответствующих регулируемых усилителей. Второй вход первого коррелятора, вход первого регулируемого усилителя и вход фазовращателя подключены к выходу компенсационной антенны. Вход второго коррелятора и вход второго регулируемого усилителя подключены к выходу фазовращателя. Основная антенна имеет главный лепесток, направленный в обозреваемую часть пространства над морской поверхностью. У компенсационной антенны ДН имеет минимум (нуль) на направлении главного лепестка ДН основной антенны. Основная антенна принимает смесь сигнала цели и помехи, а компенсационная - помеху. Сигналы с выхода основной антенны поступают на два квадратурных канала с корреляционными обратными связями. В этих каналах в корреляторах формируется корреляционная функция помех на выходе сумматора и компенсационной антенны. Напряжение с выходов корреляторов поступает на управляющие входы соответствующих регулируемых усилителей, изменяя их коэффициент передачи. Амплитуды помех, проходящих через эти усилители, изменяются таким образом, чтобы при суммировании этих помех с помехами основного канала в сумматоре они взаимно компенсировались. Если сигнал цели не принимается компенсационной антенной, то он без ослаблений проходит на выход сумматора.
Недостаток этого известного устройства состоит в сложности формирования ДН компенсационной антенны, когда обнаруживаемая цель находится вблизи морской поверхности. Кроме того, от цели в этом случае принимается как прямой сигнал, так и сигнал, отраженный от подстилающей морской поверхности. Этот сигнал принимается компенсационной антенной, так как он приходит с тех же направлений, что и помеха. Поэтому в известном устройстве производится частичное подавление сигналов целей, расположенных вблизи морской поверхности. Невозможно обнаружение целей, находящихся между антенной и морской поверхностью, так как в этом случае сигналы целей и помеха приходят с одинаковых направлений. Недостатком является также малая чувствительность устройства, так как некоррелированные шумы основной и компенсационной антенны в сумматоре суммируются и проходят на выход без подавления.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является устройство для обнаружения целей, описанное в патенте США №3781878, от 25 декабря 1973 г. по кл. МКИ G01S 9/02, которое содержит элементы фазированной антенной решетки, управляемые фазовращатели, блок векторного суммирования сигналов, функциональный генератор. Фазовращатели включены между выходами приемных элементов и соответствующими входами блока векторного суммирования. Выходы функционального генератора подключены к управляющим входам фазовращателей. На входы функционального генератора поступают синхронизирующий сигнал от передатчика (или синхронизатора радиолокатора) и сигнал радиовысотомера (в самолетном радиолокаторе). Выход блока векторного суммирования является выходом устройства и через переключатель прием-передача соединяется с выходом передатчика и входом приемника.
Зондирующий сигнал передатчика поступает через переключатель прием-передача, блок векторного суммирования и фазовращатели на элементы антенной решетки, посредством которых он излучается в пространство. ДН антенной решетки при излучении зондирующего сигнала формируется при помощи фазовращателей, вносящих определенные фазовые сдвиги в проходящие через них сигналы. При приеме отраженных сигналов в функциональном генераторе под действием поступающих на его входы сигналов от радиовысотомера и синхронизирующего формируются согласованно изменяющиеся во времени напряжения, связанные между собой линейной зависимостью. Эти напряжения поступают на управляющие входы фазовращателей, регулируя их фазу во времени. Отраженные от целей сигналы и помехи от морской поверхности поступают в элементы антенной решетки, в фазовращатели, где по определенному закону регулируется их фаза, и в блок векторного суммирования, где они векторно суммируются. В результате при приеме формируется диаграмма направленности, у которой основной лепесток в начале периода повторения (т.е. при приеме сигналов с малой дальности) приподнят над морской поверхностью, затем в течение периода повторения угол наклона основного лепестка уменьшается и в конце периода повторения (при приеме сигналов целей, находящихся за дальностью радиогоризонта) этот лепесток устанавливается горизонтально земной поверхности. Закон изменения пространственного положения основного лепестка ДН антенной решетки при приеме во времени таков, что в каждый момент времени приема на морскую поверхность направлены боковые лепестки ДН.
Недостатком этого устройства является слабое подавление помех от морской поверхности, так как эти помехи принимаются боковыми лепестками ДН. Эти помехи сильно затрудняют обнаружение низколетящих малоразмерных целей.
Целью настоящего изобретения является улучшение подавления помех от морской поверхности.
Эта цель достигается тем, что в устройство для обработки радиолокационных сигналов, содержащее не менее двух приемных элементов, расположенных по вертикали, управляемые фазовращатели, входы которых подключены к выходам приемных элементов, суммарно-разностные блоки, входы которых соединены с выходами фазовращателей, и функциональный генератор, приемные элементы вместе с соответствующими фазовращателями разбиты на пары по вертикали, причем к каждой паре подключен соответствующий суммарно-разностный блок. В каждую пару фазовращателей введены последовательно соединенные фазовый детектор, ограничитель, фильтр нижних частот и усилитель постоянного тока, а также пороговый блок и переключатель, входы которого соединены с выходами суммарно-разностного блока данной пары. Выход усилителя постоянного тока соединен с управляющим входом первого фазовращателя данной пары. Один вход фазового детектора соединен с выходом первого фазовращателя данной пары. Второй вход фазового детектора подключен к выходу, на который поступает сигнал, принимаемый вторым приемным элементом данной пары (в частном случае этот вход фазового детектора подключается либо к выходу второго фазовращателя данной пары, либо к одному из выходов суммарно-разностного блока). Вход и выход порогового блока подключен, соответственно, к выходу фильтра нижних частот и управляющему блоку фазовращателя данной пары. Выходы функционального генератора соединены с управляющими входами вторых фазовращателей всех пар.
Введение в каждую пару фазовращателей, расположенных по вертикали, последовательно соединенных фазового детектора, ограничителя, фильтра нижних частот и усилителя постоянной частоты, выход которого подключен к управляющему входу первого фазовращателя данной пары, и подключение одного входа фазового детектора к выходу первого фазовращателя, а второго входа - к выходу, на который поступает сигнал, принимаемый вторым приемным элементом данной пары, обеспечивает формирование разности фаз принимаемых сигналов на выходах фазовращателей при помощи фазового детектора, выделение помехи от морской поверхности на выходе ограничителя, сглаживание этих помех в фильтре нижних частот (ФНЧ), усиление их в усилителе постоянного тока и регулировку фазы в первом фазовращателе таким образом, чтобы сигналы помехи на выходах фазовращателей данной пары были синфазны. Введенный в предлагаемое устройство переключатель обеспечивает в этих условиях подачу на выход устройства сигналов с разностного выхода суммарно-разностного блока, в котором при вычитании сигналов с выходов фазовращателей помехи компенсируются (ввиду их синфазности), а сигналы целей, имеющие иной сдвиг фазы, чем помехи, и фазы которых на выходах фазовращателей данной пары не одинаковые, проходят на разностный выход суммарно-разностного блока и выход переключателя с небольшим ослаблением. Подключение выходов функционального генератора к управляющим входам вторых фазовращателей всех пар обеспечивает регулировку в них сдвига фазы сигналов во времени по определенному закону таким образом, чтобы в каждый момент времени приема разность фаз сигналов целей и помех на выходах первого и второго фазовращателей каждой пары отличалась по знаку. Пороговый блок, введенный в каждую пару, обеспечивает при наличии сигналов помехи на выходе ФНЧ подключение при помощи переключателя выхода устройства к разностному выходу суммарно-разностного блока. При отсутствии помехи от морской поверхности (что имеет место при приеме сигналов целей, находящихся за дальностью радиогоризонта) сигналы на выходе ФНЧ отсутствуют и пороговый блок обеспечивает при помощи переключателя соединение выхода устройства с суммарным выходом суммарно-разностного блока. Этим обеспечивается улучшение подавления помех от морской поверхности при выделении сигналов низколетящих целей на всей дальности действия за счет вычитания синфазных помех в суммарно-разностном блоке, а также сохраняется максимальная чувствительность радиолокатора на больших дальностях (где помехи от морской поверхности отсутствуют и действует только внутренний шум приемника) за счет суммирования сигналов целей.
Второй вход фазовращателя каждой пары может быть подключен к выходу второго фазовращателя. При его подключении к разностному или суммарному выходу суммарно-разностного блока повышается стабильность и точность работы устройства, так как отрицательной обратной связью охватывается суммарно-разностный блок.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства;
- на фиг.2 и 3 приведены варианты включения фазового детектора в блок-схеме;
- по фиг.4 показаны геометрические соотношения при приеме помех от морской поверхности и сигналов целей, находящихся над этой поверхностью;
- на фиг.5 приведены векторные диаграммы сигналов в разных точках блок-схемы фиг.1.
Устройство для обработки радиолокационных сигналов содержит приемные элементы 1-1, 1-2, разбитые на пары по вертикали (см. фиг.1, на которой для простоты приведен случай двух приемных элементов), управляемые фазовращатели 2-1, 2-2, фазовый детектор 3, ограничитель 4, фильтр 5 нижних частот (ФНЧ), усилитель 6 постоянного тока (УПТ), суммарно-разностный блок 7, переключатель 8, пороговый блок 9, функциональный генератор 10.
Входы фазовращателей 2-1, 2-2 подключены к выходам приемных элементов 1-1, 1-2 соответственно, выходы фазовращателей 2-1, 2-2 подключены ко входам соответствующего суммарно-разностного блока 7. У каждой пары фазовращателей 2-1, 2-2 фазовый детектор 3, ограничитель 4, ФНЧ 5 и УПТ 6 соединены последовательно, причем выход УПТ 6 подключен к управляющему входу первого фазовращателя 2-1 данной пары, а первый вход фазового детектора 3 - к выходу первого фазовращателя 2-1 данной пары. Входы каждого переключателя 8 подключены к выходам соответствующего суммарно-разностного блока 7. Вход и выход порогового блока 9 каждой пары подключены соответственно к выходу ФНЧ 5 и управляющему входу переключателя 8. Выходы функционального генератора 10 подключены к управляющим входам вторых фазовращателей 2-2 всех пар.
Второй вход фазового детектора 3 соединен с выходом, на который поступает сигнал, принимаемый вторым приемным элементом 1-2 данной пары. На фиг.1, 2, 3 приведены различные варианты включения фазового детектора 3 данной пары: на фиг.1 второй вход фазового детектора 3 соединен с выходом второго фазовращателя 2-2 данной пары, на фиг.2 - с разностным выходом суммарно-разностного блока 7, на фиг.3 - с суммарным выходом суммарно-разностного блока 7.
Рассмотрим формирование помех от морской поверхности 11 и целей 12 на входах приемных элементов 1-1, 1-2 каждой пары (см. фиг.4) в фиксированный момент времени приема t. Сигнал помехи приходит к излучателям 1-1, 1-2 по лучам 13 и 14 соответственно, а сигнал цели 12 - по лучам 15 и 16 соответственно. Так как разности длин лучей 13, 14 и 15, 16 в каждый момент времени t приема сигналов целей и помех с одинаковой дальности отличаются друг от друга. Поэтому разности фаз между сигналами целей и помех на выходах приемных элементов 1-1 и 1-2 различные (см. фиг.5, а, где цифрами 1, 2 обозначены векторы сигналов на выходах приемных элементов 1-1 и 1-2 соответственно).
Рассмотрим прохождение сигналов целей и помех в устройстве согласно блок-схеме фиг.1. С выходов приемных элементов 1-1 и 1-2 эти сигналы поступают на фазовые детекторы 2-1 и 2-2. Фазовращатель 2-2 под воздействием напряжения, поступающего на его управляющий вход с выхода функционального генератора 10, изменяет фазу сигналов с выхода приемного элемента 1-2 таким образом, чтобы в каждый момент времени t приема разность фаз сигналов целей на выходах фазовращателя 2-2 (см. фиг.5, б, вектор 2) и первого приемного элемента 1-1 (см. фиг.5, б, вектор 1) была противоположна по знаку разности фаз помех от морской поверхности на выходах этих элементов. Сигналы с выхода первого приемного элемента 1-1 данной пары через фазовращатель 2-1 поступает на первые входы фазового детектора 3 и суммарно-разностного блока 7. Сигналы с выхода фазовращателя 2-2 поступают на вторые входы фазового детектора 3 и суммарно-разностного блока 7. На выходе фазового детектора 3 выделяется напряжение, алгебраическая величина которого пропорциональна разности фаз сигналов на входах фазового детектора 3. При этом в силу указанного выше способа работы функционального генератора 10 вместе с фазовращателем 2-2 сигналы целей и помех создают на выходе фазового детектора 3 напряжения противоположной полярности. В ограничителе 4 выделяется напряжение определенней полярности, создаваемое помехами от морской поверхности. С выхода ограничителя 4 напряжение помех поступает в ФНЧ 5. Постоянная времени ФНЧ 5 больше длительности зондирующего сигнала, и в нем происходит усреднение и динамическое запоминание напряжения помех. Напряжение с выхода ФНЧ 5 поступает в УНТ 6, в котором оно усиливается и затем проходит на управляющий вход фазового детектора 2-1, изменяя вносимый им в проходящие сигналы сдвиг фаз. Фазовый детектор 3, ограничитель 4, ФНЧ 5, УПТ 6, фазовращатель 2-1 образуют цепь быстродействующей автоматической регулировки фазы сигнала с выхода приемного элемента 1-1. Эта цепь работает таким образом, что в конце процесса регулирования фаза сигнала помехи на выходе фазовращателя 2-1 (см. фиг.5, б, вектор 1) становится равной фазе сигнала помехи на выходе фазовращателя 2-2 (см. фиг.5, в, вектор 2). Сигналы целей, имеющие иную полярность сдвига фаз, чем помехи, на выходе фазовращателя 2-2 и первого приемного элемента 1-1 (см. фиг.5, б), создают на выходе фазового детектора 3 напряжение полярности, противоположной полярности помех. Это напряжение через ограничитель 4 не проходит, и для сигналов цели цепь быстродействующей регулировки фазы является разорванной. В результате фаза сигнала цели в фазовращателе 2-1 не изменяется, и фазы сигналов целей на выходе фазовращателей 2-1 и 2-2 не равны друг другу (см. фиг.5, в).
Сигналы целей и помехи с выходов фазовращателей 2-1 и 2-2 поступают на входы суммарно-разностного блока 7. На его суммарном выходе выделяются сигналы (см. фиг.5, г), представляющие собой сумму входных сигналов, а на разностном выходе - сигналы (см. фиг.5, д), являющиеся разностью входных сигналов. При этом сигналы помех на разностном выходе суммарно-разностного блока 7 взаимно компенсируются, а сигналы целей лишь немного ослабляются.
Сигналы помех с выхода ФНЧ 5 поступают на вход порогового блока 9, порог ограничения которого выбирается на уровень внутренних шумов. На выходе порогового блока 9 выделяются сигналы помех, которые поступают на управляющий вход переключателя 8. Под действием этих сигналов переключатель 8 подключает к выходу устройства разностный выход суммарно-разностного блока 7. В результате на выход устройства проходят сигналы целей.
Если помеха от морской поверхности не поступает в приемные элементы 1-1 и 1-2, что имеет место при приеме сигналов целей с дальностей, превышающих дальность 17 радиогоризонта (см. фиг.4), то отсутствует напряжение на выходе ограничителя 4, УПТ 6, порогового блока 9. При этом цепь быстродействующей регулировки фазы разорвана, фазовращатель 2-1 не вносит сдвига фазы в проходящие через него сигналы, а переключатель 8 подключает к выходу устройства суммарный выход суммарно-разностного блока 7. В этом случае на выход устройства поступают суммарные сигналы целей, что улучшает их обнаружение на фоне внутреннего шума (сигналы помех при этом отсутствуют).
Функциональный генератор 10 из поступающих на его входы сигналов синхронизации и радиовысотомера (в самолетном радиолокаторе) формирует напряжение, под действием которого фаза фазовращателя 2-2 изменяется в течение каждого периода повторения по следующему закону:
<mrow><mi>ϕ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>d</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mfrac><mrow><mi>h</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mi>З</mi></msub><mo>+</mo><mi>h</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>c</mi><mi>t</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mi>c</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mi>З</mi></msub><mo>+</mo><mi>h</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
где λ - длина радиоволны;
t - время;
h - высота установки антенны;
З
R - эффективный радиус Земли;
8
С=3·10 М/сек;
d - расстояние между приемными элементами.
Этим обеспечивается такое изменение результирующего равнофазного направления 18 (по отношению к сигналам на выходах первого приемного элемента 1-1 и фазовращателя 2-2) в течение периода повторения, чтобы в каждый момент времени приема это направление 18 находилось между отражающим участком 19 морской поверхности 11 и целью 12 (см. фиг.4).
На фиг.5 показаны векторные диаграммы сигналов целей и помех в разных точках блок-схемы фиг.1 при приеме только сигналов помехи (левый ряд диаграмм), только сигналов цели (средний ряд диаграмм) и суммы сигналов целей и помех по дальности радиогоризонта (правый ряд диаграмм). Из них следует, что до дальности радиогоризонта, когда на выход устройства проходит разностный сигнал, вырабатываемый в суммарно-разностном блоке, осуществляется подавление помех и обеспечивается прохождение сигнала цели как при наличии, так и при отсутствии помех.
При подключении второго входа фазового детектора 3 к разностному (см. фиг.2) или суммарному (см. фиг.3) выходам суммарно-разностного блока 7 устройства работает аналогичным образом, так как сохраняется различие в знаках фаз сигналов целей и помех, поступающих на входы фазового детектора 3. При этом по сравнению с вариантом включения фазового детектора 3, приведенным на фиг.1, улучшается стабильность работы устройства, так как целью быстродействующей автоматической регулировки фазы охватывается суммарно-разностный блок 7.
Выше было рассмотрено устройство для обработки радиолокационных сигналов в случае двух приемных элементов. При большем числе приемных элементов по вертикали (например, в фазированной антенной решетке) рассмотренная выше обработка производится для каждой пары облучателей по вертикали, а суммирование сигналов производится в общем сумматоре.
По сравнению с известным устройством предлагаемое устройство обеспечивает более эффективное подавление помех от морской поверхности, так как они взаимно компенсируются в суммарно-разностном блоке (на его разностном выходе). Величина нескомпенсированного остатка помех обусловлена только неидентичностью первого и второго приемных элементов и фазовращателей каждой пары, а также точностью выполнения операции вычитания в суммарно-разностном блоке. В лабораторных условиях получено подавление помех примерно на 29 дБ.