СПОСОБ ОБРАБОТКИ МНОГОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА В РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЯХ С ВНЕШНИМ ПОДСВЕТОМ
METHOD OF PROCESSING MULTICARRIER SIGNAL IN RADAR STATIONS WITH EXTERNAL ILLUMINATION

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к методам многочастотного обнаружения целей в радиолокационных станциях (РЛС) с внешним подсветом.
0
Известен способ, реализованный в РЛС с внешним подсветом и однолучевой антенной, работающей в заданном секторе обзора, которая принимает сигналы на одной телевизионной несущей частоте f и формирует луч в направлении на цель [1]. Недостатком подобного способа, является необходимость сканирования для перекрытия заданного сектора обзора.
Наиболее близким по технической сущности способом-прототипом является способ, реализованный в РЛС с внешним подсветом с цифровой антенной решеткой, структурная схема которой приведена на фиг.1 [2].
0
1
2
N
Данная РЛС принимает сигналы на одной несущей частоте f, но формирует веер лучей, которые перекрывают заданный сектор обзора. Обработка сигналов в РЛС с внешним подсветом с цифровой антенной решеткой происходит следующим образом. Сигналы x, x … x, принятые элементами антенной решетки в течение L тактов в пачке, усиливаются в малошумящем усилителе (МШУ), оцифровываются в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), из них в электронной вычислительной машине (ЭВМ) формируется матрица (1),
<mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd><mtd><mo>:</mo></mtd><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>L</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd><mtd><mo>:</mo></mtd><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>L</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mo>…</mo><mo>…</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><mo>…</mo><mo>…</mo></mrow></mtd><mtd><mo>:</mo></mtd><mtd><mrow><mo>…</mo><mo>…</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mi>N</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mi>N</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd><mtd><mo>:</mo></mtd><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mi>N</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>L</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
которая подвергается пространственно-временной обработке, после чего, в соответствии с формулой (2) формируется сигнал y(θ, V), амплитуда которого сравнивается с порогом.
<mrow><mi>y</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo>,</mo><mi>V</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msup><mi>w</mi><mi>Н</mi></msup><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>∗</mo><mi>X</mi><mo>∗</mo><mi>s</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>V</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Где w(θ) - вектор весовых коэффициентов пространственной обработки размерности (N×1);
s(V) - вектор весовых коэффициентов временной обработки размерности (L×1);
H - знак эрмитового сопряжения [3].
Вектора весовых коэффициентов вычисляются по формулам (3), (4).
<mrow><mi>w</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1,</mn><mtext> </mtext><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msup><mo>,</mo><mo>…</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msup></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mi>T</mi></msup><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>s</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>V</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1,</mn><mtext> </mtext><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>V</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow></msup><mo>,</mo><mo>…</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>V</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>L</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow></msup></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mi>T</mi></msup><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Где d - расстояние между элементами антенной решетки;
θ - направление прихода сигнала от цели;
0
0
λ - длина волны для частоты f;
Δt - период следования импульсов;
N - число элементов антенной решетки;
L - число импульсов в пачке;
V - радиальная скорость цели;
Т - знак транспонирования [3].
k
По сравнению с РЛС с внешним подсветом с однолучевой антенной, РЛС с внешним подсветом с цифровой антенной решеткой обладает большим потенциалом за счет увеличения времени накопления при фиксированном времени обзора заданного сектора. Однако при этом сохраняется резерв для увеличения потенциала РЛС с внешним подсветом за счет использования совместной обработки сигналов на нескольких телевизионных несущих частотах f (k=1…K), где K - число работающих телевизионных каналов.
Техническим результатом предлагаемого способа является улучшение технических характеристик РЛС в части увеличения дальности обнаружения целей и снижения вероятности ложных тревог за счет использования совместной обработки сигналов на нескольких несущих частотах.
0
Данный технический результат достигается тем, что в известном способе обработки сигналов в РЛС с внешним подсветом на одной несущей частоте f, при котором происходит прием сигналов элементами антенной решетки, их усиление в малошумящем усилителе, преобразование в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе, после чего в электронно-вычислительной машине выполняется пространственно-временная обработка сигнала и сравнение амплитуды выходного сигнала с порогом, производится совместная параллельная обработка сигналов на K несущих частотах в полосе телевизионного вещания и некогерентное накопление сигналов, для чего каждым элементом антенной решетки принимается сигнал, являющийся суперпозицией на нескольких несущих частотах, который после усиления в малошумящем усилителе разделяется на K сигналов с помощью делителя и набора полосовых фильтров.
Структурная схема РЛС, реализующей предлагаемый способ, приведена на фиг.2, где обозначено:
1 - малошумящий усилитель (МШУ);
2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
3 - электронная вычислительная машина (ЭВМ);
4 - делитель 1:K;
5 - полосовой фильтр (ПФ).
Суть изобретения заключается в использовании в качестве внешнего источника подсвета излучения одновременно нескольких телевизионных каналов, работающих на разных несущих частотах и проведении совместной обработки сигналов параллельно на всех принятых несущих частотах.
Обработка сигналов в РЛС, реализующей предлагаемый способ, производится следующим образом. Элементами антенной решетки (1…N) принимается сигнал, который является суперпозицией сигналов на K несущих частотах. Далее сигнал усиливается в МШУ 1, разделяется на K сигналов по величине делителями 4 и по частоте ПФ 5, после чего сигнал оцифровывается в АЦП 2 и для каждой несущей частоты в ЭВМ 3 формируется матрица сигнала (5).
<mrow><msub><mi>X</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>1,</mn><mi>k</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>1,</mn><mi>k</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd><mtd><mo>:</mo></mtd><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>1,</mn><mi>k</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>L</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>2,</mn><mi>k</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>2,</mn><mi>k</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd><mtd><mo>:</mo></mtd><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>2,</mn><mi>k</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>L</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mo>…</mo><mo>…</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><mo>…</mo><mo>…</mo></mrow></mtd><mtd><mo>:</mo></mtd><mtd><mrow><mo>…</mo><mo>…</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mi>N</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mi>N</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd><mtd><mo>:</mo></mtd><mtd><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mi>N</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>L</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Где L - число импульсов в пачке;
N - число элементов антенной решетки;
k - число несущих частот.
k
k
Матрица X подвергается пространственно-временной обработке, в результате чего в соответствии с формулой (6), для каждой из несущих частот формируются выходные сигналы y (θ, V).
<mrow><msub><mi>y</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo>,</mo><mi>V</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msubsup><mi>w</mi><mi>k</mi><mi>H</mi></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>∗</mo><msub><mi>X</mi><mi>k</mi></msub><mo>∗</mo><msub><mi>s</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>V</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
k
ой
Где w(θ) - вектор весовых коэффициентов пространственной обработки для k несущей частоты размерности (N×1);
k
ой
s(V) - вектор весовых коэффициентов временной обработки для k несущей частоты размерности (L×1).
Вектора весовых коэффициентов вычисляются по формулам (7), (8).
<mrow><msub><mi>w</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1,</mn><mtext> </mtext><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mrow><msub><mi>λ</mi><mi>k</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msup><mo>,</mo><mo>…</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mrow><msub><mi>λ</mi><mi>k</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msup></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mi>T</mi></msup><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>s</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>V</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1,</mn><mtext> </mtext><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>V</mi></mrow><mrow><msub><mi>λ</mi><mi>k</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow></msup><mo>,</mo><mo>…</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>V</mi></mrow><mrow><msub><mi>λ</mi><mi>k</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>L</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow></msup></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mi>T</mi></msup><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Где d - расстояние между элементами антенной решетки;
θ - направление прихода сигнала от цели;
k
λ - длина волны для k-ой несущей частоты;
Δt - период следования импульсов;
V - радиальная скорость цели.
Производя некогерентное накопление сигналов на нескольких несущих частотах в соответствии с формулой (9), получаем результирующий сигнал z(θ, V) многочастотной пространственно-временной обработки, который сравнивается с порогом.
<mrow><mi>z</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo>,</mo><mi>V</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><mrow><msub><mi>y</mi><mi>k</mi></msub><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo>,</mo><mi>V</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
Данный подход позволит увеличить потенциал РЛС с внешним подсветом за счет увеличения суммарной мощности принятого сигнала при совместной обработке сигналов на нескольких несущих частотах.
Эффективная площадь рассеивания (ЭПР) цели для фиксированной частоты в зависимости от азимута имеет флюктуации порядка 15-20 дБ.
На фиг.3 изображена экспериментально измеренная ЭПР двухмоторного самолета В-26, в зависимости от азимута цели [4].
Флюктуации ЭПР имеют случайный характер и большую изрезанность, обусловленную сложной геометрической формой цели. При переходе на другую несущую частоту, флюктуации ЭПР цели сохраняются, однако значение ЭПР на одинаковых азимутах для различных частот, будут существенно отличаться. При облучении цели сигналами на нескольких частотах в полосе телевизионного вещания суммарная ЭПР сгладится и при совместной обработке сигналов параллельно на нескольких несущих частотах достигается уверенное обнаружение цели независимо от ракурса облучения фиг.4.
Данный подход позволит снизить вероятность ложных тревог РЛС с внешним подсветом за счет сглаживания ЭПР цели.
0
Таким образом, за счет того, что в известном способе обработки сигналов в РЛС с внешним подсветом на одной несущей частоте f, при котором происходит прием сигналов элементами антенной решетки, их усиление в малошумящем усилителе, преобразование в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе, после чего в электронно-вычислительной машине выполняется пространственно-временная обработка сигнала и сравнение амплитуды выходного сигнала с порогом, дополнительно производится совместная параллельная обработка сигналов на K несущих частотах в полосе телевизионного вещания и некогерентное накопление сигналов, при котором мощность переотраженного сигнала от цели является суммой мощностей переотраженного сигнала от цели на каждой из частот, а суммарная ЭПР цели является сглаженной достигается улучшение технических характеристик РЛС с внешним подсветом в части увеличения дальности обнаружения целей и снижения вероятности ложных тревог.
Список литературы
1. Смешко П.Г. Пархоменко Н.Г. Охрименко А.Е. Перспективы полуактивной радиолокации в связи с развитием служб цифрового радиовещания // Успехи современной радиоэлектроники. 2010. №7. с.38-46.
2. Вендик О.Г. Парнес М.Д. Антенны с электрическим сканированием / под ред. Бахраха Л.Д. М.: 2001, с.10-105.
3. Грантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука, 1966, с.29.
4. Справочник по радиолокации под ред. Сколника. М.: Советское радио, 1976, т.1, с.364, 365, рис.2.