Поляриметрические устройства формирования и обработки сигнала для селекции радиолокационных объектов

УДК 621.317:53.087

ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ СИГНАЛА ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ

Р.Н. АКИНШИН, В.А. УШАКОВ, К.П. ЛИХОЕДЕНКО

Рассмотрены схемы устройств формирования поляризационно-модулированных сигналов (ПМС) и перспективные методы обработки последних.

Ключевые слова: поляризационно-модулированные сигналы.

Для обеспечения высокой информативности, помехоустойчивости, энергетического качества и вероятностных характеристик решения задачи системы селекции радиолокационных объектов должны использовать поляризационно-модулированные сигналы и прием нескольких ортогонально поляризованных компонент (ОПК) ПМС. Вид поляризационного базиса (ПБ) при этом не играет принципиальной роли за исключением кругового ПБ, результаты измерения поляризационных характеристик объектов в котором представляются более информативными, а также позволяют наиболее просто осуществлять измерение временной функции рассеяния объектов.

Перспективные методы обработки радиолокационного сигнала должны использовать доп-леровскую и поляризационную обработку для различения целей, мешающих отражений и ди-польных отражателей. Центры рассеяния радиолокационных целей и мешающих отражений имеют преимущественно пространственную ориентацию и, следовательно, селективно рассеивают радиолокационные сигналы в соответствии с ориентацией поля падающего электрического излучения. Для многоканальной системы форма сигнала передачи является вектором, а функция рассеяния - тензором [1-6].

Когда ведется передача и прием по 2 каналам, как делается это в случае с дуальной поляризацией, принятые сигналы становятся двухэлементными векторами

~(/) = (I) + ~ (/) + «('), Н;

~ 0 ) = ), Но ,

где переменные, выделенные жирным шрифтом, обозначают векторы компонентов поляризации. Принятый векторный сигнал г () содержит компонент от каждого поляризационного канала

приема. Матрица рассеяния Ь (?) содержит 4 компонента: вертикально поляризованное поле (УУ), кросс-поляризованные компоненты (УИ и НУ) и горизонтальный компонент рассеяния (НН). Рассеянное поле моделируется как отражение от медленно флуктуирующей точечной цели с нулевыми средними комплексными гауссовскими случайными элементами. В общем, компоненты рассеяния ЬУИ и Ьиу можно считать равными.

Здесь /^ (^) - отраженный сигнал с временным запаздыванием, доплеровским смещением и энергией передачи . Шум приемника 1~(^) является векторным белым шумом, компоненты (/) и «*И (I) которого независимы для 2 поляризационных каналов. Вектор окрашенного шума, обусловленного обратным рассеянием от мешающих отражений ~с (/) , также содержит компоненты дуальной поляризации, которые получены сверткой матрицы рассеяния в

частотной и временной области мешающих отражений

1

Ь(,-1,1)Д

ь;

ЬИ с -4,1)

2

Д

Ьу С-4,4Аи С-4,4) 1 , 1

с векторным зондирующим сигналом

/ С) =

ЬИУ ( '

Ьу

Ьи С)

2,1)ЬИИ

который нормализуется до единицы энергии. Матрица рассеяния

Ь

- гауссовский

случайный процесс с нулевым средним значением, соответствует зондирующему сигналу, приводя к следующему соотношению

пс (Г) =

4

= №И Ь(' - 24)/(> -4№.

псУ (1) псИ (1)_

Это выражение представляет вектор окрашенного шума, обусловленного мешающими отражениями, где 1 - время, а 1 - диапазон радиолокационной станции (РЛС), выраженный в единицах времени. Может быть показано, что функция корреляции вектора мешающих отражений является функцией следующего вида [2]

К~пс(1,и )ДЕ \~с (*МС (и)} =

К~СУУ

Подставляя Ьс (1) в (1) и допуская, что отражения от различных интервалов (дальности) статистически независимы, отражение от каждого интервала является функцией выборочных значений вектора гауссова процесса со средним нулевым значением, получим

КЬ (1, и) = Е( Г ЬТ (1 -1)К { - и, 1}Ь\и -1)=

с ^-¥ ВК

= Е, 1Г /Т (1 - 1)Ь {у, 1}Ь * (и - Я)е ' 2’п(')ЫШ .

J •)-¥ ВК

Функция корреляции тензора Кш {т, 1} - это тензор 4-го порядка с 2 переменными, который зависит от отражающих свойств мешающих отражений. Обозначение "ВК" означает, что мешающие отражения имеют двойное разнесение по доплеровской частоте и диапазону дальностей. Функция ЬЖ {т1} - тензор 4-го порядка с 2 переменными, представляющий спектр

процесса, и связан с КВК (т 1) посредством преобразования Фурье

Квк (т,1) = ( ЬК (У *" .

щ) — ¥

Полученное соотношение можно назвать функцией рассеяния тензора процесса Ь (т, 1) .

Квк ( т,1) дает 16 различных элементов, если рассматривать статистическое поведение матрицы рассеяния случайного процесса. Классический приемник оптимизирован для сигнала, искаженного белым шумом вместо окрашенного шума мешающих отражений. В этом случае

оптимальным является согласованный по вектору фильтр. Решающей статистикой, рассчитанной классическим приемником, является величина [5, 6]

которая сравнивается с пороговым значением.

Отношение сигнала к шуму на выходе оптимального приемника определяется с помощью соотношения

Л = Er Wl/ h (t)Q*(t, u)/\u)dtdu = Ër JT' /d(t)g*(t)dt.

Средняя энергия сигнала, принятого от цели

Er = E{J“¥ S T

где S(t) = b/d (t) .

Соотношение (2) сводится к равенству

Er = 2(SVV +SHV)EtV + 2(SHH + SVH)EtH + *4^ Re{rt (svv,VH +SHV,hh )}

_2 , _2 где Vyy - дисперсия элемента в матрице рассеяния от цели; svv ,vh - корреляция между

элементами bVV и bVH матрицы рассеяния от цели; EtV и EtH - энергия зондирующего сигнала в вертикальном и горизонтальном каналах соответственно; pt - коэффициент корреляции между вертикальной и горизонтальной компонентами сигнала.

Величина Л, выражения для которой были приведены выше, используется для определения вероятности обнаружения и ложной тревоги

Pf =

Импульсная переходная характеристика оптимального фильтра h0U является матрицей

2 х 2. Огибающая сигнала / является векторной величиной. Важно отметить, что корреляционная матрица содержит коэффициенты векторов огибающей сигнала, что определяется в равенстве (3).

Оптимальный приемник, который вычисляет функцию корреляции принятого r/(t) и передаваемого сигналов q(t), предполагает точное знание статистики рассеяния от мешающих отражений. Поскольку на практике доступна только цифровая аппроксимация корреляционной

матрицы мешающих отражений, и эта информация может быть получена в результате ограни-

ченного по времени наблюдения за ними, линейного оптимального приемника достаточно для расчета вероятности обнаружения при фиксированных уровнях сигнал-шум и вероятности ложной тревоги [2].

Наиболее общая схема построения приемопередающей части с учетом реализации перспективных ПМС представлена на рис. 1. Сигналы управления A(t), j(t) определяют вид ПМС. Процессор выделения поляризационного признака (ПП) может быть реализован на промежуточной частоте либо может строиться по квадратурному принципу. В общем случае использование ПМС требует двухканального принципа построения передающей и приемной частей, при этом в каналах передающей части должна быть обеспечена возможность амплитудно-фазовой модуляции. Практически важной конкретизацией построения передающей системы для формирования и выделения ПМС с круговой двойной поляризацией является схема, ориентированная на использование линей-

но поляризованных излучателей [3, 4] либо поляризационного сумматора разделителя (рис. 2). Данная схема обеспечивает в соответствии с сигналом манипуляцию круговой поляризации излучения и полный поляризационный прием отраженных сигналов в круговом ПБ. При этом блок формирует необходимую фазовую модуляцию ОПК для обеспечения требуемой разрешающей способности либо диаграммы направленности фазированной антенной решетки. Данная схема применима в импульсных РЛС.

Рис. 1. Схема построения приемопередающего тракта для формирования ПМС:

1 - генератор СВЧ; 2- управляемый фазовозвращатель; 3 - управляемый аттенюатор;

4 - фазовый модулятор; 5 - поляризационный разделитель; 6 - поляризационно-изотропная антенна; 7 - смеситель канала приема; 8 - гетеродин; 9 -УПЧ; 10 - процессор сигналов ПЧ

Рис. 2. Схема формирования и выделения ПМС в круговом ПБ:

1 - управляемый фазовозвращатель; 2 - делитель мощности ^; 3 - подстроечные аттенюаторы для установки равенства амплитуд; 4 - фазовозвращатель тР2;

5 - фазовый модулятор; 6 - линейно поляризованные излучатели, ортогонально ориентированные в пространство; 7 - двухканальное приемное устройство

Для РЛС с непрерывным сигналом и РЛС с внутриимпульсной модуляцией предлагается схема формирования и выделения дуально поляризованных ПМС, обеспечивающая измерение ПМС объекта в круговом ПБ (рис. 3). Формирование ортогональных по частоте кругополяризованных компонент в схеме обеспечивается за счет поляризации ориентации исходного линейно поляризованного сигнала по линейному закону, что может достигаться либо за счет применения амплитудной модуляции и фазовой манипуляции сигнала в ортогональных каналах передающего устройства, либо за счет использования быстродействующих фарадеевских вращателей.

Рис. 3. Схема измерения ПМС в круговом ПБ:

1 - поляризационно-изотропная антенна; 2 - генератор СВЧ;

3 - формирователь модулятор; 4 - генератор;

5 - схема АПЧ; 6 - поляризационный разделитель

Наиболее эффективным способом измерения поляризационной матрицы рассеяния (ПМР) объекта с помощью ПМС в линейном ПБ является применение схемы с внутриимпульсной модуляцией эллиптичности по гармоническому закону (рис. 4). Формируемые таким образом в своем поляризационном спектре ортогональные по частоте линейно поляризованные компоненты, обеспечивающие при двухканальном приеме измерение полной (с учетом разностей фаз) ПМР объекта. В случае одноканального приема в данной схеме возможно измерение только одной основной, одной кроссполяризационной компонент и разности фаз между ними, что, как показал анализ эффективности вариантов построения РЛС, не является наиболее эффективным. Указанного недостатка лишена схема, представленная на рис. 5.

Структурная схема первичной обработки и выделения объектов ПМР при таком способе зондирования приведена на рис. 6. Выделение кроссполяризационной компоненты ПМР при одноканальном приеме достигается в данной схеме за счет гетеродинирования сигнала на дополнительной ПЧ, смещенной относительно основной ПЧ на величину частоты поляризационной модуляции зондирующего сигнала. Эффективные относительные 1111 при этом выделяются череспериодной обработкой компонент отраженных сигналов.

Рис. 4. Схема с внутриимпульсной модуляцией эллиптичности по гармоническому закону: 1 - передатчик; 2 - генератор и(ґ)=зіп(Оґ); 3 - поляризационно-изотропная антенна;

4 - гетеродин; 5 - блок АПЧ

Рис. 5. Схема: 1 - генератор СВЧ; 2 - генератор сигнала «меандр» с периодом Т; 3 - система АПЧ; 4 - гетеродин; /с - сигнал ПЧ; /оп - опорная ПЧ;

О - частота поляризационной модуляции

Одним из путей выделения относительных ПП является применение логарифмического приемного устройства с последующим череспериодным вычитанием по схемам, аналогичным устройствам череспериодной компенсации в системах селекции движущихся целей (рис. 7).

т

Рис. 6. Структурная схема первичной обработки и выделения объектов ПМР: 1 - линия задержки на период повторения Т импульсов РЛС

Рис. 7. Структурная схема аппаратуры выделения эффективных поляризационных признаков:

1 - УПЧ с логарифмической характеристикой; 2 - устройство вычитания; 3 - сумматор;

4 - делитель сигналов; 5 - аналоговый коммутатор; 6 - операционный усилитель;

7 - линия задержки на период повторения импульсов РЛС; 8 - экспоненциатор;

£1, £2- логарифмы коэффициентов деполяризации; - логарифм коэффициента асимметрии;

-фактор формы; £5- нормированный фактор формы; - полная мощность основных ОПК ГШС

Характерным примером построения РЛС с межимпульсной поляризационной манипуляцией (независимо от ПБ) является структурная [2] схема РЛС, обеспечивающая измерение полной ПМР объекта при двухканальном принципе построения приемного тракта (рис. 8). Используемые в данной схеме делители сигнала могут быть построены на базе современных интегральных перемножителей.

Рис. 8. Структурная схема РЛС, обеспечивающая измерение полной ПМР объекта при двухканальном принципе построения приемного тракта

В случае необходимости применения некогерентных одноканальных по поляризации РЛС, обеспечивающих выделение эффективного пространства ПП, может быть рекомендована структура РЛС, приведенная на рис. 9. Данная схема является универсальной в смысле применяемого ПБ. В случае необходимости применения линейного базиса в качестве поляризационного модулятора устанавливается модулятор ориентации, в случае кругового базиса - модулятор эллиптичности (рис. 3, 8).

Рис. 9. Структурная схема некогерентной одноканальной РЛС измерения эффективных поляризационных признаков:

1 - поляризационно изотропная антенна; 2 - поляризационный модулятор; 3 - прередатчик;

4 - гетеродин; 5 - генератор модулирующего сигнала; 6 - детектор; 7 - линия задержки;

8 - аналоговый коммутатор; 9 - сумматор; 10 - устройство вычитания; 11 - делитель сигналов; сигналы: 8і=иуу, Б2=иик, Бз - ЭПР на основных ОПК; 84 - нормированный фактор формы;

£5 - фактор формы; Бв - коэффициент асимметрии

Независимо от типа РЛС и выделяемых ПП в качестве аппаратуры принятия решений может быть применена система селекции, использующая нелинейные преобразования Джонсона, охватывающие практически всю область вероятностных распределений признаков в системе кривых Пирсона. Преимуществом такой структуры, основанной на указанных допущениях, является ее универсальность и простота аппаратурной реализации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хлусов В.А., Лигтхарт Л.П., Шарыгин Г.С. Одновременное измерение всех элементов матрицы рассеяния радиолокационных объектов с использованием сложных сигналов // 8 Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь». - Воронеж: Воронежский госуниверситет, 2002. - Т 3.

2. Акиншин Н.С., Румянцев В.Л., Процюк С.В. Поляризационная селекция и распознавание радиолокационных сигналов. - Тула: Лидар, 2000.

3. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн (Поляризационная структура радиолокационных сигналов). - М.: Радиотехника, 2005.

4. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн (Радиолокационная поляриметрия). -М.: Радиотехника, 2007.

5. Boerner W.M., Hujnen J.R., Metchur N.C. Polarization in radar targetreconstruction / Final report The University of Illinois at Chicago. - 1983.

6. Джули Д. Поляризационное разнесение в радиолокации // ТИИЭР. - 1986. - № 2. - Т.74.

POLARIMETRIC DEVICE FORMING AND SIGNAL PROCESSING FOR SELECTION OF RADAR SITES

Akinshin R.N., Ushakov V.A., Lihoedenko K.P.

The scheme of devices forming a polarization-modulated signals and advanced methods of processing the last.

Key words: polarization modulated objects.

Сведения об авторах

Акиншин Руслан Николаевич, 1980 г.р., окончил Тульский артиллерийский инженерный институт (2002), ведущий аналитик МГТУ им. Н.Э.Баумана, доктор технических наук, доцент, автор 116 научных работ, область научных интересов - автоматизация процессов управления, вычислительные системы и сети, информационная безопасность.

Ушаков Вадим Анатольевич, 1970 г.р., окончил МАИ (1991), ВВИА им. Н.Е. Жуковского (1993), старший научный сотрудник 3 ЦНИИ МО РФ, автор 11 научных работ, область научных интересов - радиолокация, радиофизика.

Лихоеденко Константин Павлович, 1962 г.р., окончил МГТУ им. Н.Э.Баумана (1985), кандидат технических наук, доцент МГТУ им. Н.Э.Баумана, автор 48 научных работ, область научных интересов - локационные информационные системы.