КОРРЕЛЯЦИОННО-ФИЛЬТРОВОЙ ОБНАРУЖИТЕЛЬ ПАЧКИ РАДИОИМПУЛЬСОВ

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано для обнаружения-разрешения протяженных и точечных радиолокационных объектов (целей).
Известен фильтровой обнаружитель сигнала со случайной начальной фазой [1]. Фильтровой обнаружитель сигнала состоит из согласованного фильтра, детектора огибающей, перемножителя и порогового устройства. Сигнал со входа поступает на согласованный фильтр, далее на детектор огибающей, затем сигнал поступает на пороговое устройство, где происходит сравнение сигнала со значением порога. Решение принимается в момент t=T, когда значение корреляционной функции сигнала максимальное.
Недостатком данного обнаружителя является то, что главный лепесток корреляционной функции зондирующего сигнала, ширина которого обратно пропорциональна полосе высокочастотного тракта РЛС, для решения задач разрешения и распознавания является широким и не обеспечивает требуемого качества разрешения, а также недостаточная контрастность главного лепестка корреляционной функции пачки принятых сигналов, что затрудняет однозначное определение дальности до цели при зондировании пачкой радиоимпульсов.
Известен также корреляционно-фильтровой обнаружитель [2], состоящий из перемножителя, согласованного фильтра, амплитудного детектора и порогового устройства. Принятый сигнал поступает на перемножитель, на второй вход которого поступает напряжение гетеродина, затем сигнал поступает на согласованный фильтр, настроенный на промежуточную частоту, далее на детектор, затем на перемножитель, второй вход которого соединен с формирователем дельта-функции, далее на пороговое устройство, где проводится сравнение текущего значения корреляционной функции принятого сигнала со значением порога и принимается решение о наличии или отсутствии сигнала в принятой реализации.
Недостатком данного обнаружителя является то, что главный лепесток корреляционной функции зондирующего сигнала также широкий, и для решения задач разрешения и распознавания не обеспечивает требуемого качества, то есть разрешающая способность ограничена шириной главного лепестка корреляционной функции, а также недостаточная контрастность главного лепестка корреляционной функции пачки принятых сигналов, затрудняет однозначное определение дальности до цели.
Из известных обнаружителей радиолокационных сигналов наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является корреляционно-фильтровой обнаружитель [3], который выбран в качестве прототипа.
и
и
Основными элементами корреляционно-фильтрового обнаружителя являются два перемножителя, согласованный фильтр, разветвитель сигнала, линия задержки на длительность зондирующего сигнала τ, линия задержки на 2τ, три устройства вычисления модуля корреляционной функции, сумматор, делитель, пороговое устройство.
0
г
Работа данного устройства заключается в следующем: на устройство поступает входной сигнал на частоте f и сигнал гетеродина на частоте f. В согласованном фильтре формируется напряжение, значение которого пропорционально корреляционной функции принимаемого сигнала, представленного в виде смеси полезного сигнала, отраженного от цели, и шума.
и
и
С выхода согласованного фильтра сигнал, пропорциональный корреляционной функции, распределяется на три канала устройства с целью разнесения сигналов по времени на ±τ относительно временного положения сигнала в основном канале. Значение задержки τ, определяется положением максимального спада главного лепестка корреляционной функции зондирующего сигнала относительно ее максимума, обусловленного его структурой.
Модули разнесенных сигналов суммируются и из них на делителе формируется весовой коэффициент, который используется при взвешивании значений сигнала основного канала.
Результат перемножения сравнивается со значением порога, на основе чего делается вывод о наличии или отсутствии сигнала.
Недостатком данного обнаружителя является недостаточное обужение главного лепестка корреляционной функции, кроме того, имеет место увеличение числа и амплитуды ложных выбросов, что приводит к росту вероятности ложной тревоги, а также недостаточна контрастность главного лепестка корреляционной функции принятых сигналов, что затрудняет однозначное определение дальности до цели при зондировании пачкой радиоимпульсов.
Целью полезной модели является повышение качества разрешения целей по дальности, а также, повышение контрастности главного пика взвешенных сигналов на выходе согласованного фильтра устройства за счет формирования весовых коэффициентов с учетом скважности пачки зондирующих радиоимпульсов.
П
П
Цель достигается за счет весовой обработки принятой реализации с применением весовых коэффициентов, определяемых как отношение корня произведения модульных значений корреляционной функции со сдвигом по оси времени на ±Т относительно текущего значения к модулю суммы значений корреляционной функции, сдвинутых на ±Т/2 относительно текущего значения, где ТП - период следования импульсов в пачке зондирующих сигналов.
H
Поставленная цель достигается за счет введения в прототип следующих элементов: вместо разветвителя сигналов и дополнительных каналов в устройство добавляется цепь состоящая из: первой многоотводной линии задержки 3 с N выходами (по числу импульсов в пачке зондирующего сигнала, в данном случае три импульса), которые соединены с первым сумматором 4, выход которого соединен со входом амплитудного детектора 5, выход которого соединен со входом второй многоотводной линии задержки 6 с пятью выходами; первый и пятый выходы второй многоотводной линией задержки 6 соединены со вторым перемножителем 7 и устройством извлечения квадратного корня 9, выход которого соединен с первым входом делителя 10, второй и четвертый выходы многоотводной линией задержки 6 соединены с первым и вторым входами сумматора 8, выход которого соединен со вторым входом делителя 10, выход которого соединен со вторым входом весового усилителя 11, третий выход многоотводной линией задержки 6 соединен с первым входом весового усилителя 11, выход которого соединен со входом порогового устройства 12, выход которого является выходом устройства. На третий вход сумматора 8 подается постоянная величина Δ, а на второй вход порогового устройства 12 подается порог Z.
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1. Алгоритм работы описанного устройства определяется выражением:
где:  - весовой множитель;
П
Z - пороговый уровень;
S(t) - корреляционная функция одиночного радиоимпульса.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит: первый перемножитель 1, согласованный фильтр 2, первую многоотводную линию задержки 3, первый сумматор 4, амплитудный детектор 5, вторую многоотводную линию задержки 6, второй перемножитель 7, второй сумматор 8, устройство извлечения квадратного корня 9, делитель 10, весовой усилитель 11, пороговое устройство 12.
3
Г
пр
0
г
При этом первый перемножитель 1, последовательно соединен с согласованным фильтром 2, первой многоотводной линией задержки 3, которая имеет N выходов (по числу импульсов в пачке зондирующего сигнала, в данном случае три импульса), параллельно соединенных с сумматором 4, выход которого последовательно соединен с амплитудным детектором 5 и второй многоотводной линией задержки 6, имеющей 5 выходов; первый выход многоотводной линии задержки 6 последовательно соединен со вторым входом второго перемножителя 7 и устройством извлечения квадратного корня 9, второй выход второй многоотводной линии задержки 6 последовательно соединен со вторым входом сумматора 8 и делителем 10, третий выход второй многоотводной линии задержки 6 соединен с первым входом весового усилителя 11, четвертый выход второй многоотводной линии задержки 6 последовательно соединен с первым входом сумматора 8 и делителем 10, при этом на сумматор 8 так же поступает малая постоянная величина А, пятый выход второй многоотводной линии задержки 6 последовательно соединен с первым входом второго перемножителя 7 и устройством извлечения квадратного корня 9, при этом его выход соединен с первым входом делителя 10, выход которого соединен со вторым входом устройства весового усилителя 11, выход весового усилителя 11 соединен с пороговым устройством 12, выход которого является выходом устройства. Работа предлагаемого устройства заключается в следующем: На первый перемножитель 1 поступает входной сигнал в виде пачки радиоимпульсов Y(t)=AX(t+τ)+n(t), принятый на частоте f0 и сигнал гетеродина X(t) на частоте. После преобразования на промежуточную частоту f=f-f принятый сигнал поступает на согласованный фильтр 2. Отклик согласованного фильтра одиночного радиоимпульса имеет вид:
Первая многоотводная линия задержки 3 и первый сумматор 4 являются согласованным фильтром для пачки радиоимпульсов. Отклик согласованного фильтра поступает на амплитудный детектор 5, где вычисляется модуль корреляционной функции принятой пачки радиоимпульсов:
Для формирования весовых коэффициентов, необходимо многоканальное устройство. В связи с этим в устройство вводится вторая многоотводная линия задержки 6, которая необходима для формирования сигналов четырех дополнительных каналов. Время задержки сигналов зависит от периода следования радиоимпульсов в пачке.
ОСН
1
1
n
2
1
n
Сигнал S(t) - является сигналом основного канала и поступает на весовой усилитель 10 для весовой обработки. При этом сигнал с задержкой S(t-Т) и сигнал с задержкой S(t+T) поступают на перемножитель 7 и устройство извлечения квадратного корня 9. Данная операция учитывает значения корреляционной функции, соответствующие максимальным спадам главного лепестка корреляционной функции пачки радиоимпульсов основного канала при обработке максимального отклика пачки.
3
1
n
4
1
n
Сигналы с задержкой S(t-0.5T) и S(t+0,5T) поступают на второй сумматор 8, где происходит их сложение. На третий вход второго сумматора 8 поступает Δ - малая постоянная величина.
В делителе 10 происходит формирование весового коэффициента. Для этого значение суммы корреляционных функций из дополнительных каналов и постоянной А, ограничивающей минимальное значение знаменателя весового коэффициента, поступает на делитель 10 и весовой коэффициент К принимает следующий вид:
В весовом усилителе 11 происходит взвешивание значения корреляционной функции сигналов основного канала весовым коэффициентом, полученным в делителе 10:
Далее выходное значение корреляционной функции поступает на пороговое устройство 12. Результат сравнивается со значением порога, на основе чего делается вывод о наличии или отсутствии сигнала.
Повышение качества разрешения целей по дальности и значительное уменьшение уровня ложных выбросов происходит за счет весовой обработки с учетом скважности пачки радиоимпульсов, а также отношения минимальных значений корреляционной функции к максимальным значениям в момент обработки центрального импульса.
Поскольку предлагаемое устройство не создает экономического эффекта, анализ проведем на сравнении функциональных возможностей данного устройства и базового объекта, в качестве которого принят прототип, как наиболее близкое устройство по техническому решению и поскольку оно отвечает необходимым требованиям, предъявляемым к подобным устройствам.
Результаты моделирования работы устройства с весовой обработкой с применением пакета прикладных программ Matlab, показали эффективность данного метода.
Для оценки результатов были рассмотрены два случая:
ИМП
1. Цели достаточно далеки друг от друга, взаимная задержка составляет 8,5 периодов следования сигналов пачки радиоимпульсов Т.
ИМП
2. Цели довольно близко расположены друг к другу, взаимная задержка составляет 5,5 Т. В этом случае последний сигнал пачки первой цели практически смыкается с первым сигналом пачки второй цели.
ИМП
ИМП
Применение весовой обработки обеспечивает увеличение отношения уровня главного лепестка к боковым в 10 раза, при достаточно большом расстоянии целей друг от друга (взаимная задержка 8,5 Т) и в 2 раза при довольно близком расстоянии целей (взаимная задержка 5,5 Т). При весовой обработке обеспечивается увеличение отношения сигнал/шум приблизительно в 8,5 раз.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что поставленная цель - повышение качества разрешения целей по дальности, а также, повышение контрастности главного пика принятых сигналов, сформированных в результате весовой обработки с учетом скважности пачки радиоимпульсов, достигнута.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Информационные технологии в радиотехнических системах/под ред. И.Б. Федорова. - М: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 846 с.
2. 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. - 2012-400 с.
3. Корреляционно-фильтровой обнаружитель: Патент на полезную модель №179509 /Груця В.П., Туров В.Е., Зюзин А.В., Хайбутов К.Е., Полторацкий А.В. - РФ, заявл. 18.12.2017; зарегистр. 17.05.2018.