УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ
DEVICE FOR PROTECTION FROM PULSE INTERFERENCE

Предлагаемое устройство защиты от импульсных помех относится к области радиотехники и может быть использовано в радиолокационных станциях, предназначенных для работы в условиях интенсивных комбинированных помех.
Известны устройства защиты от помех радиолокационных приемников, создающие повышенную устойчивость к комбинированным помехам. Так, устройство, описанное в патенте Японии №49-23078, публикации 1974 г., содержит соединенные последовательно преобразователь частоты, согласованный фильтр (УПЧ), блок череспериодной компенсации (ЧПК) пассивных помех, ключ, детектор и индикатор, а также блок управления (две линии задержки и детектор импульсных помех), вход которого соединен с выходом согласованного фильтра, а выход с управляющим входом ключа. В этом патенте учтено то явление, что каждый одиночный импульс помехи при прохождении через блок ЧПК превращается в несколько импульсов, разнесенных между собой на период повторения РЛС (эффект "размножения"). Поэтому чтобы закрыть приемник в интервалы времени, соответствующие существованию "размноженных" импульсов помехи, блок управления формирует запирающие ключ импульсы по определенному закону, соответствующему закону размножения импульсов в блоке ЧПК.
Недостатком такого устройства является повышенное время его запирания, что повышает вероятность потери полезных сигналов. Это особенно сказывается в приемниках сигналов с внутриимпульсной модуляцией, например ЛЧМ, ФКМ (с линейной частотной модуляцией, с фазокодовой манипуляцией), поскольку короткие импульсы помехи, проходя через согласованный фильтр, существенно увеличиваются по длительности (обычно в десятки раз), а это значительно увеличивает длительность запирания, приемника. Кроме этого, появляется возможность прохождения на выход приемника несинхронной помехи, обусловленная частичным перекрытием удлинившихся импульсов в соответствующие моменты времени смежных периодов.
Устройство, описанное в патенте Великобритании №1348249 публикации 1974 г., содержит соединенные последовательно преобразователь частоты, согласованный фильтр, блок ЧПК с режектором несинхронных помех, детектор и индикатор, причем блок ЧПК выполнен в виде двух однократных узлов ЧПК, двух пороговых узлов, входы которых соединены с входом и выходом линии задержки первого узла ЧПК, логическую схему, входа которой соединены с выходами пороговых узлов и выключатель, сигнальный вход которого соединен с выходом первого узла ЧПК, выход - со входом второго узла ЧПК, а управляющий вход - с выходом логической схемы. Эффект "размножения" помехи в указанном устройстве происходит только в первом узле ЧПК, что несколько уменьшает время запирания приемника по сравнению с предыдущим аналогом.
Однако это устройство имеет недостаточную устойчивость к импульсным помехам, обусловленную:
а) "размножением" помехи в первом узле;
б) частичным прохождением несинхронных помех из-за увеличения их длительности после согласованного фильтра;
в) свободным прохождением импульсов синхронных импульсных помех.
Наиболее близким по технической сущности является устройство защиты от импульсных помех, содержащее соединенные последовательно блок задержки и блок стробирования, а также соединенные последовательно амплитудный дискриминатор и формирователь импульсов постоянной длительности, выход которого соединен с управляющим входом блока стробирования, выход которого является выходом устройства, а входом устройства являются соединенные между собой вход блока задержки и вход амплитудного дискриминатора.
Эффективность устройства защиты от импульсных помех определяется:
а) величиной коэффициента К подавления помехи (например, при К=100 происходит подавления 99 импульсов помехи из 100);
б) энергетическими потерями ΔP полезного сигнала:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>б</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>с</mi><mi>и</mi><mi>г</mi><mi>н</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
В известном устройстве формируемый запирающий импульс имеет постоянную длительность, не зависящую от длительности импульса помехи. Мы считаем, что применение такого устройства может быть эффективно в тех случаях, когда длительность импульсов помехи постоянна и известна заранее. Тогда длительность стробирующих импульсов устанавливают примерно равной длительности этой помехи. Этот случай возможен, например, при взаимных помехах импульсных РЛС. Если же длительность импульсов помехи изменяется по случайному закону, что всегда имеет место в наиболее распространенных на практике хаотических импульсных помехах (Вакин С.А., Шустов Л.Н. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки, М., "Сов. радио", 1968, стр.126), то эффективность известного устройства существенно ухудшается. Это ухудшение связано с тем, что для обеспечения высокого коэффициента подавления (100 или 1000) необходимо подавлять и относительно редкие импульсы, длительность которых в несколько раз превышает среднюю длительность импульсов помехи. При этом в силу постоянной длительности стробирующих импульсов в известном устройстве получаем заметные энергетические потери полезного сигнала, отсутствующие в предлагаемом нами устройстве. Если же сравнивать устройства, у которых выработанные режимы обеспечивают равные энергетические потери полезного сигнала, то в известном устройстве будет значительно меньшим коэффициент подавления помехи.
Целью настоящего изобретения является повышение помехозащищенности.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство защиты от импульсных помех, содержащее амплитудной дискриминатор, блок задержки и блок стробирования, у которых вход блока задержки соединен со входом амплитудного дискриминатора и является входом устройства, а выход блока задержки соединен с сигнальным входом блока стробирования, вводятся соединенные между собой последовательно и подключенные между выходом амплитудного дискриминатора и управляющим входом блока стробирования блок дифференцирования, инвертор, дополнительный блок задержки и кипп-реле, причем выход блока дифференцирования соединяется также со вторым входом кипп-реле.
Введенные блок дифференцирования, инвертор, дополнительный блок задержки, кипп-реле и соответствующие связи определяют длительность и временное положение отдельно каждого импульса помехи, для каждого импульса помехи вырабатывают соответствующий запирающий импульс, точно совпадающий по длительности и временному положению с поступающим на сигнальный вход блока стробирования импульсом помехи, и автоматически осуществляющим полное подавление импульса помехи при минимальной для каждого импульса помехи длительности запирающего импульса, тем самым, обеспечивая минимальные энергетические потери полезного сигнала, повышая отношение сигнал/помеха.
На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства. На фиг.2 представлен вариант взаимного расположения полезного сигнала, стробирующих импульсов, а также график закона распределения Релея длительностей импульсов помехи (а, б).
На фиг.3 представлен полученный расчетным путем выигрыш в коэффициенте подавления помехи и выигрыш в ослаблении полезного сигнала в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом.
На фиг.4 представлена форма сжатого импульса в случае применения предлагаемого устройства в приемнике ЛЧМ сигналов, влияние относительной длительности стробирующего импульса (материалы моделирования). На фиг.5а представлена зависимость уменьшения амплитуды сигнала, а на фиг.5б - зависимость уровня боковых лепестков от относительной длительности помехи (материалы моделирования).
На фиг.6 показан вариант временного расположения помех, при котором известное устройство практически неработоспособно.
Предлагаемое устройство защиты от импульсных помех содержит (фиг.1), соединенные последовательно амплитудный дискриминатор 2, блок 2 дифференцирования, инвертор 3, блок 4, задержки и кипп-реле 5, второй вход которого соединен с выходом блока 2 дифференцирования, содержит соединенные последовательно другой блок 6 задержки, вход которого, соединенный с входом амплитудного дискриминатора 1, является входом устройства, и блок 7 стробирования, управляющий вход которого соединен с выходом кипп-реле 5, а выход является выходом устройства.
Амплитудный дискриминатор 1 содержит, соединенные последовательно детектор 8 и ограничитель снизу 9.
Вход кипп-реле 5, соединенный с выходом блока 2 дифференцирования, является запускающим, а другой вход кипп-реле 5 является обнуляющим.
Блок 6 задержки выполнен в виде отрезка коаксиального кабеля РК-119 длиной 1 м.
Ограничитель 9 снизу имеет уровень ограничения снизу, равный 20 дБ над среднеквадратическим значением шума. Кипп-реле 5 вырабатывает импульс длительностью 1,5 мкс, но допускает срыв генерации вырабатываемого импульса и раньше при поступлении на его обнуляющий вход внешнего управляющего импульса.
Блок 4 задержки - линия задержки на 0,1 мкс; совместно с блоком 6 задержки служат для уравнения запаздывания сигналов в параллельных каналах и, тем самым, для предотвращения прохождения на выход устройства фронтов импульсной помехи.
3
Работает устройство следующим образом. Входные сигналы промежуточной частоты через блок 6 задержки и нормально открытый блок 7 стробирования свободно проходят на выход устройства, если их уровень не превышает 20 дБ под уровнем шума или если на них не наложены импульсы помехи. В качестве активных импульсных помех чаще всего применяются хаотические импульсные помехи (ХИП), представляющие собой последовательности мощных коротких импульсов, обычно длительностью τ=0,5÷1,0 мкс с хаотически изменяющимися интервалами между импульсами и с флюктуирующей амплитудой (фиг.2). Импульс такой помехи, пройдя через детектор 8, пройдет, в связи с его большой амплитудой, и через ограничитель 9 снизу. Импульс, образовавшийся при дифференцировании переднего фронта импульса помехи в блоке 2, запускает кипп-реле 5, при этом выходной сигнал кипп-реле 5 запирает блок 7 стробирования, вследствие чего помеха на выход устройства не проходит. Импульс, образовавшийся в блоке 2 при дифференцировании заднего фронта импульса помехи, через инвертор 3 и блок 4 задержки поступает на обнуляющий вход кипп-реле 5, возвращая его в исходное состояние и, тем самым, отпирая блок 7 стробирования. Тракт прохождения сигнала при этом заперт точно на время существования короткого импульса помехи и отперт все остальное время даже при хаотическом изменении длительности импульса помехи. Так как длительность входного полезного сигнала (в рассматриваемом примере ЛЧМ импульса) значительно больше длительности импульса помехи, то при кратковременном запирании тракта во время одновременного существования полезного сигнала и помехи, полезный сигнал практически не изменяет своего уровня на выходе согласованного фильтра приемника, так как запирание подавляет только малую часть входного сигнала (3÷10% по длительности). Поступающий на вход устройства мощный полезный сигнал пройдет через блоки 1, 2 и запустит своим передним фронтом кипп-реле 5, длительность импульса которого не может превышать 1,5 мкс, чем ограничивается длительность запирания блока 7. При этом подавляется только малая часть полезного импульса, что не приводит к его существенному ослаблению. Следует также учесть, что это ослабление сигнала может происходить только при большом его уровне, когда он превышает уровень ограничения сигнала снизу в блоке 9, т.е. в случае, когда имеется большой запас по уровню сигнала.
строб
с
На фиг.4, 5 представлены результаты математического моделирования, выполненного на ЭВМ "БЭСМ-6". На фиг.4 показано изменение формы сжатого полезного сигнала в тех случаях, когда часть сигнала на входе согласованного фильтра подавлена в связи с попаданием на нее помехи и работой предлагаемого устройства. Сплошная линия соответствует отсутствию такого подавления (помеха отсутствует), пунктирная - подавлению 4% длительности сигнала, штрихпунктирная - подавлению 8% длительности. Подавление части сигнала приводит к некоторому уменьшению амплитуды сигнала и увеличению боковых лепестков. Полученные зависимости этих изменений от процентного отношения длительности подавленной части сигнала к полной длительности (τ/τ) приведены на фиг.5а и 5б. Из графиков фиг.4, 5 следует, что полезные сигналы практически сохраняют свою форму и амплитуду. Так, при подавлении 4 и 8% от длительности входного импульса амплитуды выходного импульса, согласованного фильтра приемника, уменьшается только на 4 и 8% соответственно, а боковые лепестки увеличиваются с 20 до 22,5 и 24% соответственно, чем вполне можно пренебречь.
Оценим эффективность предлагаемого устройства по сравнению с известным, предположив, что изменение длительности импульсов помехи подчинено закону распределения Релея (фиг.2).
Примем следующие обозначения:
с
τ - длительность полезного сигнала;
п
τ - длительность помехи;
<mrow><msub><mrow><mover><mi>τ</mi><mo>∧</mo></mover></mrow><mi>п</mi></msub></mrow>
- среднее значение длительности импульсов помехи;
строб
τ - длительность стробирующих импульсов;
огр.
τ - порог ограничения длительности стробирующих импульсов в предлагаемом устройстве;
р
кп
τ, τ - длительности стробирующих импульсов в известном устройстве для случаев равных с предлагаемым устройством энергетических потерь сигнала и коэффициента подавления помех соответственно.
Вариант взаимного расположения полезного сигнала, стробирующих импульсов, а также график закона распределения Релея длительностей импульсов помехи приведены на фиг.2а, 2б. B известном устройстве не будут подавлены те импульсы помехи, длительность которых соответствует "хвосту" закона распределения, не перекрытому стробирующим импульсом, т.е. у которых
п
строб.
τ>τ
В предлагаемом устройстве не будут подавлены те импульсы помехи, длительность которых
п
огр.
τ>τ
1
стр
<mrow><msub><mrow><mover><mi>τ</mi><mo>∧</mo></mover></mrow><mi>п</mi></msub></mrow>
Энергетические потери ΔP в известном устройстве пропорциональны τ, а в предлагаемом - пропорциональны
.
При равных коэффициентах подавления, т.е. при
огр
кп
τ=τ
относительный энергетический выигрыш определяется формулой:
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>к</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mrow><mover><mi>τ</mi><mo>∧</mo></mover></mrow><mi>п</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
На основании таблиц закона распределения Релея найдем зависимость этого выигрыша от величины коэффициента подавления помехи. Результаты расчетов, представленные графически на фиг.3, показывают, что при обычных коэффициентах подавления порядка 100-1000 выигрыш достигает величины 4 дБ.
p
Рассмотрим другой случай, когда потери сигнала в рассматриваемых устройствах равны, что будет при выборе длительности стробирующего импульса τ в известном устройстве, равной среднему значению длительности импульсов помехи. Из тех же таблиц следует, что вероятность ложной тревоги при этом в известном устройстве равна 0,46, т.е. коэффициент подавления помехи, как обратная величина, равен 2,18. А коэффициент подавления помехи в предлагаемом устройстве и в этом случае может быть легко получен порядка 100-1000 путем выбора
<mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>2,4</mn><mo>÷</mo><mn>2,8</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mrow><mover><mi>τ</mi><mo>∧</mo></mover></mrow><mi>п</mi></msub></mrow>
стр
стр
Можно отметить, что известное устройство практически не работает в случае, когда на него поступает пара импульсов, сдвиг во времени между которыми равен или несколько меньше длительности стробирующего импульса τ. (см. фиг.7а). Первый импульс помехи в момент времени τ=0 своим передним фронтом запускает генератор стробирующего импульса, длительность которого постоянна и равна τ (см. фиг.7б). Первый импульс помехи через блок стробирования не проходит, так как этот блок заперт импульсом стробирования. Если передний фронт второго импульса совпадет со временем, когда генерируется стробирующий импульс, то он не сможет запустить генератор импульса повторно. В результате та часть второго импульса помехи, которая не совпадает со стробирующим импульсом (выходит за его пределы), свободно проходит через известное устройство (фиг.7в). Более того, ждущий мультивибратор имеет интервал нечувствительности порядка 5-10% от длительности импульса, в течение которого происходит восстановление начального режима генератора, и повторный запуск его в это время невозможен. Следовательно, если сдвиг между двумя импульсами помехи даже превышает длительность стробирующего импульса на 5-10%, то и тогда второй импульс помехи пройдет на выход, причем в этом случае пройдет полностью.
Предложенное же нами устройство и при описанных выше помехах средней и малой скважности обеспечивает их подавление, так как генерация импульса кипп-реле прекращается лишь с небольшой задержкой после окончания импульса помехи, и восстановление начального режима кипп-реле начинается сразу же после прекращения генерации импульса и полностью завершается к приходу следующего импульса помехи.
Таким образом, предложенное нами устройство обладает положительным эффектом, что проявляется в следующем:
а) при равных с противопоставленным устройством коэффициентах подавления помехи в предложенном устройстве потери полезного сигнала меньше на 4 дБ;
б) при равных потерях полезного сигнала коэффициент подавления в предложенном устройстве выше, по крайней мере, в 50 раз;
в) предложенное устройство имеет более широкую область применения, предлагаемое устройство дополнительно может быть использовано для подавления наиболее широко распространенных и эффективных хаотических импульсных помех со всеми встречающимися на практике параметрами в самой различной аппаратуре.