УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ
DEVICE FOR RADAR PULSE PROCESSING

Изобретение относится к устройствам обработки радиоимпульсной информации, работающим в широком диапазоне параметров сигналов, и может использоваться в системах радиотехнической разведки (РТР) и пассивного целеуказания (ПЦУ) для определения вида внутриимпульсной модуляции и различения принимаемых радиоимпульсов.
В настоящее время известен ряд устройств, являющихся аналогами предлагаемому устройству по выполняемым функциям или технической сущности.
В качестве первого аналога рассмотрим устройство по авт. свид. №1840894. В этом устройстве для различения простого (ПР), фазоманипулированного (ФМ) и линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигналов используется их обработка в квазиоптимальных фильтрах на конвольверах - приборах на поверхностных акустических волнах (ПАВ), выполняющих свертку двух сигналов. Квазиоптимальная фильтрация осуществляется с помощью свертки прямого и обращенного во времени исследуемого сигнала, в результате чего вычисляется его автокорреляционная функция. Недостатками первого аналога являются сложность осуществления операции обращения во времени для ФМ сигнала и не отличение ФМ сигнала от колебаний с симметричными нелинейными функциями внутриимпульсной частотной модуляции.
2
2
о
о
о
о
о
о
В качестве второго аналога рассмотрим устройство по авт. свид. №1840993. Его принцип действия основан на различиях во временной структуре энергетических кепстров ПР, ФМ и ЛЧМ сигналов. Энергетический кепстр есть квадрат модуля преобразования Фурье от логарифма энергетического спектра исследуемого сигнала. Кепстры всех трех сигналов содержат центральный отклик в виде функции sincx, расположенной в начале координат - точке временной оси, определяемой только параметрами устройства. Кроме того, кепстры ПР и ФМ сигналов имеют боковые отклики такой же формы с центрами в точках ±Т (ПР сигнал) и ±τ (ФМ сигнал), где Т и τ - длительности огибающей анализируемого сигнала и элементарного сегмента ФМ сигнала соответственно. Длительность всех откликов, входящих в состав энергетических кепстров ПР и ФМ сигналов, зависит только от параметров устройства. Кепстр ЛЧМ сигнала состоит только из одного отклика - центрального, также имеющего форму функции sincx, однако его длительность определяется шириной спектра анализируемого ЛЧМ сигнала. Близость боковых откликов кепстра ФМ сигнала к центральному (так как τ весьма мало по сравнению с Т), а также большая (по сравнению с минимально достигаемой) ширина отклика кепстра ЛЧМ сигнала при малом отношении ширины его спектра к полосе пропускания устройства обуславливают недостаток последнего, заключающийся в невысокой достоверности различения ФМ и ЛЧМ сигналов в некоторых условиях.
Третьим аналогом заявляемого устройства является устройство дифференцирования, описанное в [1]. Операция дифференцирования в данном устройстве осуществляется путем получения комплексного спектра исследуемого радиоимпульса, умножения спектра на линейную функцию с последующим обратным преобразованием Фурье. Такой алгоритм дифференцирования достаточно просто реализуется с помощью Фурье-процессоров на ПАВ [1, 2], выполняющих преобразование Фурье в реальном масштабе времени. Исследования показали [3, 4], что структура и параметры производных комплексных огибающих ПР, ФМ и ЛЧМ сигналов имеют четко выраженные отличия, по которым может быть проведено эффективное различение этих сигналов. Недостатком третьего аналога является отсутствие решающего устройства, автоматически определяющего вид внутриимпульсной модуляции исследуемого радиосигнала.
Анализ характеристик известных устройств, являющихся аналогами заявляемому, показывает наличие у них тех или иных недостатков, заключающихся или в сложности технической реализации и неразличении сигналов с некоторыми видами внутриимпульсной модуляции (первый аналог), или в невысокой достоверности различения сигналов определенных типов (второй аналог), или в отсутствии способности автоматического различения по имеющимся признакам заданных сигналов, в том числе и ПР, ФМ и ЛЧМ, являющихся наиболее распространенными среди радиолокационных. Это обуславливает необходимость совершенствования устройств обработки радиолокационных сигналов, определяющих вид их внутриимпульсной модуляции, и делает поставленную задачу весьма актуальной в свете общей проблемы повышения эффективности функционирования систем РТР и ПЦУ.
По технической сущности наиболее близким к заявляемому является устройство дифференцирования на поверхностных акустических волнах (ПАВ-дифференциатор), описанное в [1], которое и выбирается в качестве прототипа.
Известное устройство содержит последовательно соединенные первый перемножитель, первый фильтр свертки, второй перемножитель, второй фильтр свертки и линейный амплитудный детектор, выход которого является выходом устройства, генераторы ЛЧМ сигнала и пилообразного напряжения и синхронизатор, причем ко вторым входам первого и второго перемножителей подключены выходы, соответственно, генератора ЛЧМ сигнала и генератора пилообразного напряжения, на управляющие входы которых подаются импульсы с первого и второго выходов синхронизатора, вход которого объединен с первым входом первого перемножителя и является входом устройства. В состав известного устройства (ПАВ-дифференциатора) входят два Фурье процессора на ПАВ, работающие по алгоритму ″умножение-свертка-умножение″ [1, 2], а также устройство умножения на пилообразную функцию, играющую роль текущей частоты. В силу некоторых рассмотренных ниже причин Фурье-процессоры имеют неполный по сравнении с каноническим [1, 2] состав: первый Фурье-процессор состоит из генератора ЛЧМ сигнала, первого перемножителя и первого фильтра свертки (отсутствует умножение на ЛЧМ сигнал после фильтра свертки), второй Фурье-процессор состоит из второго фильтра свертки и линейного амплитудного детектора (отсутствует умножение на ЛЧМ сигнал перед и после фильтра свертки).
Как уже было указано выше, недостатком устройства дифференцирования является его неспособность определять вид внутриимпульсной модуляции исследуемых радиоимпульсов и различать их по этому признаку. В то же время четкие отличия в структуре и параметрах производных комплексных огибающих ПР, ФМ и ЛЧМ радиолокационных сигналов обуславливают возможность их различения с достаточно высокой достоверностью.
В связи с этим целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей устройства дифференцирования, выражающееся в автоматическом различении ПР, ФМ и ЛЧМ радиолокационных сигналов.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство - ПАВ-дифференциатор, состоящее из последовательно соединенных первого перемножителя, первого фильтра свертки, второго перемножителя, второго фильтра свертки и линейного амплитудного детектора, выход которого является выходом ПАВ-дифференциатора, генератора ЛЧМ сигнала и генератора пилообразного напряжения, выходы которых подключены ко вторым входам, соответственно, первого и второго перемножителей, синхронизатора, вход которого объединен с первым входом первого перемножителя и является входом ПАВ-дифференциатора и всего устройства, а первый и второй выходы подключены к управляющим введены входам генераторов ЛЧМ сигнала и пилообразного напряжения, введены последовательно соединенные RC-дифференциатор, линия задержки, сумматор, ключ и первый амплитудный компаратор, причем вход RC-дифференциатора подключен к выходу линейного амплитудного детектора, а выход соединен со вторым входом сумматора, последовательно соединенные второй амплитудный компаратор, вход которого соединен с выходом RC-дифференциатора, и счетчик импульсов, первое и второе пороговые устройства, входы которых объединены и подключены к выходу счетчика импульсов, первый, второй и третий RS-триггеры и формирователь строб-импульса, причем входы установки нуля триггеров (входы R) объединены и подключены к четвертому выходу синхронизатора, с третьим выходом которого соединен управляющий вход формирователя строб-импульса, выход которого подключен к управляющему входу ключа, входы установки единицы (входы S) первого, второго и третьего триггеров подключены, соответственно, к выходам первого амплитудного компаратора, первого и второго пороговых устройств, первая и вторая схемы И, причем второй вход первой схемы И и третий вход второй схемы И объединены и подключены к инверсному выходу первого триггера, первые входы первой и второй схем И подключены к прямым выходам, соответственно, второго и третьего триггеров, а второй вход второй схемы И соединен с инверсным выходом второго триггера, при этом прямой выход первого триггера и выходы первой и второй схем И являются соответственно выходами ″ЛЧМ″, ″ФМ″ и ″ПР″ заявляемого устройства.
Введение в известное устройство RC-дифференциатора, линии задержки, сумматора, ключа, формирователя строб-импульса, двух амплитудных компараторов, счетчика импульсов, двух пороговых устройств, трех триггеров и двух схем И позволяет автоматически различать ПР, ФМ и ЛЧМ радиолокационные сигналы. Это дает возможность повысить качество решения задач селекции и идентификации импульсных радиосигналов в системах ПЦУ и РТР.
Авторам не известны технические решения, имеющие совокупность признаков, совпадающую с совокупностью отличительных признаков предлагаемого устройства.
На фиг. 1 представлена функциональная схема заявляемого устройства. Оно содержит ПАВ-дифференциатор, состоящий из перемножителей 1 и 3, фильтров свертки 2 и 4, генератора ЛЧМ сигнала 5, генератора пилообразного напряжения 6, синхронизатора 7 и линейного амплитудного детектора 8, и схему обработки и принятия решения, состоящую из формирователя строб-импульса 9, сумматора 10, линии задержки 11, RC-дифференциатора 12, амплитудных компараторов 15 и 16, ключа 13, счетчика импульсов 14, пороговых устройств 17 и 18, RS-триггеров 19, 20, 21 и схем И 22 и 23.
Входом устройства является вход ПАВ-дифференциатора, представляющий собой объединенные вместе первый вход перемножителя 1 и вход синхронизатора 7. Выход перемножителя 1 через последовательно соединенные фильтр свертки 2, перемножитель 3, фильтр свертки 4 и линейный амплитудный детектор 8, выход которого является выходом ПАВ-дифференциатора, подключен ко входу RC-дифференциатора 12. Ко вторым входам перемножителей 1 и 3 подключены выходы генераторов ЛЧМ сигнала 5 и пилообразного напряжения 6 соответственно. На управляющие входы генераторов 5 и 6 поступают синхроимпульсы с выходов 1 и 2 синхронизатора 7 соответственно. Выход 3 синхронизатора 7 соединен с управляющим входом формирователя строб-импульса 9, а выход 4 - со входами установки нуля (входы R) триггеров 19, 20 и 21. Выход RC-дифференциатора 12 через последовательно соединенные линию задержки 11, сумматор 10, ключ 13 и амплитудный компаратор 16 соединен со входом установки единицы (вход S) триггера 19. Ключ 13 управляется выходным сигналом формирователя строб-импульса 9. В то же время выход RC-дифференциатора 12 соединен со вторым входом сумматора 10 и через последовательно соединенные амплитудный компаратор 15 и счетчик импульсов 14 - со входами пороговых устройств 17 и 18. Выходы пороговых устройств 17 и 18 подключены ко входам установки единицы (входы S), соответственно, триггеров 20 и 21, прямые выходы которых соединены с первыми входами схем И 22 и 23, соответственно. Инверсный выход триггера 20 подключен ко второму входу схемы И 23. Инверсный выход триггера 19 соединен со вторым входом схемы И 22 и третьим входом схемы И 23. Прямой выход триггера 19, а также выходы схем И 22 и 23 являются, соответственно, выходами ″ЛЧМ″, ″ФМ″ и ″ПР″ предлагаемого устройства.
Работа заявляемого устройства основана на различиях в структуре и параметрах модулей производных простого, ФМ и ЛЧМ импульсных радиолокационных сигналов.
Рассмотрим краткую теорию работы ПАВ-дифференциатора. Известно [5], что в частотной области операция дифференцирования адекватна умножению спектра дифференцируемого сигнала на текущую частоту, то есть спектры исходного сигнала и его производный связаны соотношением.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>s</mi><mo>'</mo></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mi>s</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mi>s</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>s</mi><mo>'</mo></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где
и
- комплексные спектры исходного сигнала и его производной. Следовательно, для дифференцирования заданного сигнала необходимо получить его спектр, умножить спектр на текущую частоту и произвести обратное преобразование Фурье:
<mrow><mi>S</mi><mo>'</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>F</mi><msup><mi>T</mi><mo>+</mo></msup><mo stretchy="false">[</mo><mi>ω</mi><mo>{</mo><mi>F</mi><msup><mi>T</mi><mo>−</mo></msup><mo stretchy="false">[</mo><mi>S</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>}</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
-
+
где операторы FT и FT обозначают прямое и обратное преобразование Фурье.
Алгоритм дифференцирования (2) достаточно просто реализуется при помощи двух Фурье-процессоров на ПАВ, описанных в [1, 2]. В этом случае вместо умножения спектра на текущую частоту ω производится его умножение на линейную функцию времени f(t)=µt, где µ - параметр процессора.
Для спектрального анализа сигналов наиболее применимы Фурье-процессоры на ПАВ, работающие по алгоритму ″умножение-свертка-умножение″ [1, 2]. В этом случае исследуемое колебание вначале умножается на ЛЧМ сигнал, затем пропускается через фильтр, на выходе которого получаем свертку умноженного на ЛЧМ сигнал колебания с импульсной характеристикой этого фильтра, имеющий вид также ЛЧМ сигнала. Выходной сигнал фильтра свертки вновь умножается на ЛЧМ сигнал. Параметры всех ЛЧМ сигналов строго связаны друг с другом. На выходе Фурье-процессора, работающего по такому алгоритму, формируется комплексный спектр анализируемого сигнала.
Генерирование ЛЧМ колебаний и свертка с ЛЧМ сигналом осуществляются при помощи дисперсионных ультразвуковых линий задержки (ДУЛЗ) - приборов на поверхностных акустических волнах [1]. При осуществлении полного алгоритма Фурье-преобразования типа ″умножение-свертка-умножение″ ДУЛЗ потребуется три, а для реализации устройства дифференцирования, содержащего два Фурье-процессора - соответственно шесть. Однако, используя некоторые особенности функционирования процессоров и ограничиваясь модулем выходного сигнала ПАВ-дифференциатора, количество ДУЛЗ можно сократить, а устройство упростить.
В ПАВ-дифференциаторе два Фурье-процессора расположены последовательно и соединены через умножитель на пилообразную функцию. В первом процессоре должно проводиться умножение на ЛЧМ сигнал выходного сигнала фильтра свертки для уничтожения имеющейся в нем ВЧ-составляющей (несущей) в виде ЛЧМ сигнала со знаком модуляции, противоположным знаку модуляции ЛЧМ сигнала, на который умножается исследуемое колебание перед поступлением на фильтр свертки. Во втором процессоре должно проводиться умножение его входного сигнала на ЛЧМ сигнал перед фильтром свертки. Следовательно, если в первом процессоре не проводить послеумножение на ЛЧМ сигнал, то во втором процессоре можно не проводить операции предумножения на ЛЧМ сигнал, но изменить наклон дисперсионной характеристики ДУЛЗ второго фильтра свертки на противоположный по отношению к первому. Это равносильно проведению положенного для второго процессора предумножения на ЛЧМ сигнал перед умножением на пилообразную функцию. Так как умножение - операция линейная, то перестановка сомножителей допустима. Таким образом, отпала необходимость в организации двух генераторов ЛЧМ сигнала. Далее отметим, что с точки зрения задачи различения сигналов достаточно полная информация о производной заданного сигнала содержится в ее модуле. Поэтому умножение на ЛЧМ сигнал после фильтра свертки второго Фурье-процессора можно заменить на линейное амплитудное детектирование. Это позволяет избавиться еще от одного генератора ЛЧМ сигнала.
В результате проведенных преобразований первый Фурье-процессор имеет генератор ЛЧМ сигнала, предумножитель и фильтр свертки, а второй Фурье-процессор состоит из фильтра свертки и детектора. Количество необходимых для реализации ПАВ-дифференциатора ДУЛЗ сократилось с шести до трех. Результаты экспериментальных исследований ПАВ-дифференциатора, построенного по упрощенной схеме, представлены в [4].
Рассмотрим некоторые аналитические выражения, поясняющие работу предлагаемого устройства обработки радиолокационных сигналов.
Простой, ФМ и ЛЧМ радиолокационные сигналы могут быть записаны следующим образом:
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>o</mi></msub><mtext> </mtext><mi>cos</mi><msub><mi>ω</mi><mi>o</mi></msub><mi>t</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mi>t</mi><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><msub><mi>T</mi><mi>o</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>                </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>Ф</mi><mi>М</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>o</mi></msub><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>u</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mi>n</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>o</mi></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>θ</mi><mi>n</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mn>0</mn><mo>≤</mo><mi>t</mi><mo>≤</mo><msub><mi>T</mi><mi>o</mi></msub><mtext> </mtext><mtext>   </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>Л</mi><mi>Ч</mi><mi>М</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>o</mi></msub><mtext> </mtext><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>o</mi></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>μ</mi><mi>o</mi></msub><msup><mi>t</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mi>t</mi><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><msub><mi>T</mi><mi>o</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
о
о
o
где А, Т, ω - амплитуда, длительность и несущая частоты сигналов;
o
n
n
N, τ, θ - число, длительность и фаза элементарных сегментов ФМ сигнала, θ=0; π;
о
µ - скорость изменения частоты ЛЧМ сигнала;
о
o
n
o
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>o</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mn>1</mn><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo>|</mo><mi>t</mi><mo>|</mo><mo>≤</mo><msub><mi>τ</mi><mi>o</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo>|</mo><mi>t</mi><mo>|</mo><mo>></mo><msub><mi>τ</mi><mi>o</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
Т=Nτ; t=(n-1)τ;
.
Проводя вычисления по алгоритму (2), который в развернутом виде можно записать в виде выражения:
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>S</mi><mo>'</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mo>−</mo><mi>∞</mi></mrow><mi>∞</mi></munderover><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mo>−</mo><mi>∞</mi></mrow><mi>∞</mi></munderover><mrow><mi>S</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>j</mi><mi>μ</mi><msup><mi>τ</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow></msup><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mfrac><mrow><mi>j</mi><mi>μ</mi><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>q</mi><mo>−</mo><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow></msup></mrow></mrow></mstyle><mi>d</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>μ</mi><mi>q</mi><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>j</mi><mi>μ</mi><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>q</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow></msup><mi>d</mi><mi>q</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
учитывая при интегрировании реальные длительности Т, ЛЧМ сигналов предумножения Фурье-процессоров и аппроксимируя прямоугольной функцией амплитудный спектр ЛЧМ сигнала, можно получить аналитические выражения для модулей производных комплексных огибающих простого, ФМ и ЛЧМ сигналов:
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mi>o</mi></msub><msqrt><mi>m</mi></msqrt></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow><mi>sin</mi><mi>c</mi><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>m</mi></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>sin</mi><mi>c</mi><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>m</mi></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mi>o</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>Ф</mi><mi>М</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mi>o</mi></msub><msqrt><mi>m</mi></msqrt></mrow><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>|</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mi>cos</mi><msub><mi>θ</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>{</mo><mrow><mi>sin</mi><mi>c</mi><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>m</mi></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>t</mi><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>τ</mi><mi>o</mi></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>−</mo><mi>sin</mi><mi>c</mi><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>m</mi></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>n</mi><msub><mi>τ</mi><mi>o</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>Л</mi><mi>Ч</mi><mi>М</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mi>o</mi></msub><mi>π</mi><msub><mi>m</mi><mi>o</mi></msub></mrow><mrow><mi>α</mi><msqrt><mi>m</mi></msqrt><msub><mi>T</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>t</mi><mo>−</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mi>T</mi><mi>o</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
o
где m и Т - база и длительность ЛЧМ сигналов предумножителей Фурье-процессоров, m - база исследуемого ЛЧМ сигнала.
Графики выражений (7), (8), (9) и экспериментальные осциллограммы откликов ПАВ-дифференциатора на реальные ПР, ФМ и ЛЧМ сигналы приведены в работе [4].
На фиг. 2 представлены схематические временные диаграммы сигналов в некоторых точках предлагаемого устройства.
Модули производных простого, ФМ, ЛЧМ сигналов в упрощенном виде изображены на фиг. 2а.
Из анализа структуры откликов ПАВ-дифференциатора на эти сигналы следует, что ПР и ФМ сигналы достаточно просто различить по числу импульсов, содержащихся в модулях их производных. Так, реакция ПАВ-дифференциатора на ПР сигнал состоит из двух одинаковых импульсов, тогда как отклик на ФМ сигнал имеет в своем составе четыре и более импульсов, если полагать, что реальный ФМ сигнал состоит, как минимум, из пяти элементарных сегментов. Это объясняется тем, что в случае обработки ПР сигнала импульсы в его производной имеют место в начале и конце сигнала, а при анализе ФМ сигнала, кроме этих, возникают также импульсы в точках временной оси, соответствующих координатам переброса фазы ВЧ заполнения в соседних элементарных сегментах.
Сложнее отличить ПР сигнал от ЛЧМ, так как модули их производных состоят из двух импульсов. Поэтому обратимся к анализу формы этих импульсов. Как показано на фиг. 2, а, модуль производной ПР сигнала состоит из двух импульсов симметричной формы, тогда как форма импульсов модуля производной ЛЧМ сигнала явно асимметрична, что выражается в разной крутизне их фронтов. Этот факт может быть использован для различения ПР и ЛЧМ сигналов.
Использование информации, заключающейся в крутизне фронтов, требует соответствующей обработки модулей производных. Эта обработка может быть произведена с помощью обычного RC-дифференциатора на операционном усилителе, величина амплитуды выходного сигнала которого прямо пропорциональна крутизне фронта входного импульса.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства.
Принимаемый сигнал (ПР, ФМ или ЛЧМ) поступает на вход ПАВ-дифференциатора. На выходе линейного амплитудного детектора 8 формируется модуль производной входного сигнала. Для извлечения информации о крутизне фронтов входящих в нее импульсов модуль производной подается на вход RC-дифференциатора 12. При такой обработке информация о количестве входящих в состав производной импульсов не теряется. На выходе RC-дифференциатора 12 формируются отклики, изображенные на фиг. 2, б. Их вид и параметры зависят от характеристик входного сигнала. Анализ этих откликов приводит к следующим выводам: во-первых, количество положительных импульсов в откликах RC-дифференциатора 12 на модули производных ПР и ФМ сигналов различно, что позволяет различать эти сигналы по этому признаку; во-вторых, амплитуды следующих друг за другом разнополярных импульсов в отклике RC-дифференциатора 12 на модуль производной ЛЧМ сигнала не равны по модулю в отличие от случая обработки ПР сигнала, где они одинаковы. Это обуславливается разной крутизной фронтов импульсов, входящих в состав модулей производных и создает возможность различения ПР и ЛЧМ сигналов. В соответствии с этими рассуждениями выходной сигнал RC-дифференциатора 12 поступает далее на два канала (см. фиг. 1).
o
o
Первый канал выполняет различение ПР и ФМ сигналов и состоит из амплитудного компаратора 15 с порогом h, счетчика импульсов 14, двух пороговых устройств 17 и 18, триггеров 20 и 21 и схем И 22 и 23. Выходной сигнал RC-дифференциатора 12 (фиг. 2, б) поступает на вход амплитудного компаратора 15, который формирует из входящих в состав этого сигнала разновысоких в общем случае пиков стандартные импульсы (фиг. 2, е). Иначе говоря, компаратор решает задачу обнаружения каждого пика, амплитуда которого превышает порог h. Счетчик импульсов 14 определяет число пиков, превысивших пороговый уровень,  и передает эту информацию на входы пороговых устройств 17 и 18. Первое из них срабатывает, если число обнаруженных импульсов не менее четырех, а второе - если это число не менее двух. Следовательно, в первом случае включены оба пороговых устройства. Правило приоритета в выборе выходных сигналов пороговых устройств для передачи информации на выходы ″ПР″ или ″ФМ″ различителя реализуется с помощью RS-триггеров 20 и 21 и схем И 22 и 23. Выходы пороговых устройств 17 и 18 подключены ко входам установки единицы (входы S) триггеров 20 и 21. На входы установки нуля (входы R) этих триггеров, а также триггера 19, предварительно подается импульс сброса с выхода 4 синхронизатора 7. Прямые выходы триггеров 20 и 21 соединены c первыми входами схем И 22 и 23. Инверсный выход триггера 20 подключен ко второму входу схемы И 23. Поэтому, если на вход счетчика импульсов 14 поступило четыре и более импульсов (что соответствует обработке ФМ сигнала), то срабатывают оба пороговых устройства 17 и 18 и на входы S триггеров 20 и 21 воздействует единичный импульс, вызывающий появление единичных сигналов на прямых выходах этих триггеров и на первых входах схем И 22 и 23. Одновременно на второй вход схемы И 23 поступает нулевой сигнал с инверсного выхода триггера 20, запрещающий появление единичного сигнала на ее выходе, являющемся выходом ″ПР″ устройства. Если в то же время отсутствует единичный сигнал на прямом выходе триггера 19, являющемся выходом ″ЛЧМ″ устройства, то с его инверсного выхода единичный сигнал поступает на второй вход схемы И 22 и третий вход схемы И 23. В результате на выходе схемы И 22, являющемся выходом ″ФМ″ устройства, формируется единичный сигнал, свидетельствующий об опознавании в принятом ФМ сигнала. Если число импульсов, поступивших на вход счетчика импульсов 14, равно двум, то включено только пороговое устройство 18. Поэтому при отсутствии сигнала на выходе ″ЛЧМ″ устройства на всех трех входах схемы И 23 будут иметь место единичные сигналы, что приведет к появлению единичного сигнала на ее выходе, являющемся выходом ″ПР″ устройства, и будет свидетельствовать о приеме ПР сигнала.
ЛЧМ
ЛЧМ
Рассмотрим работу второго канала устройства, решающего задачу различения ПР и ЛЧМ сигналов. Этот канал состоит из линии задержки 11, сумматора 10, ключа 13, амплитудного компаратора 16 с порогом h и триггера 19. Выходной сигнал RC-дифференциатора 12 (фиг. 2, б) поступает на вход сумматора и линию задержки 11, которая осуществляет задержку сигнала на величину, равную длительности короткого выходного импульса RC-диференциатора 12. Задержанный сигнал (фиг. 2, в) поступает на второй вход сумматора 10. В результате на выходе сумматора 10 формируется сигнал, примерный вид которого для ПР, ФМ и ЛЧМ сигналов представлен на фиг. 2, г. В этом сигнале нас интересует только участок, начинающийся от нулевой точки и равный по длительности короткому выходному импульсу RC-дифференциатора 12. Выбор этого интервала достигается путем стробирования выходного сигнала сумматора 10 с помощью ключа 13, управляемого строб импульсом с выхода формирователя 9, который запускается синхроимпульсом с выхода 3 синхронизатора 7. Так как модули производных ПР и ФМ сигналов состоят из симметричных по форме импульсов, то соответствующие им выходные сигналы RC-дифференциатора 12 имеют вид разнополярных видеоимпульсов с одинаковой (по модулю) амплитудой. Поэтому при обработке ПР и ФМ сигналов на выходе ключа 13 в интервале строб-импульса будет иметь место нулевой сигнал (фиг. 2, д). Иная ситуация возникает при анализе ЛЧМ сигнала. Крутизна фронтов импульсов, входящих в состав модуля его производной, неодинакова, поэтому соответствующие этим фронтам импульсы на выходе RC-дифференциатора 12 имеют различные (по модулю) амплитуды. Благодаря этому на выходе ключа 13 в интервале строб-импульса появится сигнал с амплитудой, равной разности модулей амплитуд следующих друг за другом положительного и отрицательного импульсов в составе выходного сигнала RC-дифференциатора 12, и имеющий прямоугольную форму. Если амплитуда выходного сигнала ключа 13 превышает порог h амплитудного компаратора 16, то последний срабатывает и устанавливает триггер 19 в единичное состояние по прямому выходу, который является выходом ″ЛЧМ″ устройства. Появление единичного сигнала на этом выходе свидетельствует о приеме ЛЧМ сигнала. На инверсном выходе триггера 19 в это время имеет место нулевой уровень, запрещающий появление сигналов на выходах ″ПР″ и ″ФМ″ устройства.
Из логики работы решающего устройства следует, что по приоритету на первом месте находится ЛЧМ сигнал, запрещающий индикацию приема ПР и ФМ сигналов, за ним следует ФМ сигнал, не разрешающий опознавание ПР сигнала.
Все узлы и блоки заявляемого устройства достаточно просто реализуются на основе современных серийных радиоэлементов. Входящие в состав ПАВ-дифференциатора генератор ЛЧМ сигнала и фильтры свертки реализованы на основе серийной дисперсионной ультразвуковой линии задержки (ДУЛЗ), включенной между усилителем мощности, который формирует на входе ДУЛЗ сигнал с амплитудой в несколько десятков вольт, и усилителем, компенсирующим затухание сигнала в ДУЛЗ. Генерирование ЛЧМ сигнала осуществляется путем возбуждения ДУЛЗ коротким импульсом, играющим роль дельта-функции. При этом на выходе ДУЛЗ формируется сигнал в виде ее импульсной характеристики, имеющей форму ЛЧМ сигнала. Генератор пилообразного напряжения разработан на основе операционных усилителей в виде микросхем 544УД1А. В качестве перемножителей, которые должны быть линейными по обоим входам, использованы микросхемы 526ПС1. Особенностью перемножителя 1 является наличие задержки по первому входу, получаемой с помощью серийной радиочастотной линии задержки на поверхностных акустических волнах. Это необходимо для компенсации времени, затрачиваемого на формирование ЛЧМ сигнала в генераторе 5 после подачи на него синхроимпульса с выхода 1 синхронизатора 7. Синхронизатор представляет собой последовательно включенные детектор огибающей и амплитудный компаратор, к выходу которого подключен ряд ждущих мультивибраторов, формирующих по переднему фронту огибающей входного радиоимпульса синхроимпульсы, которые в заданные моменты времени запускают генераторы ЛЧМ сигнала и пилообразного напряжения, формирователь строб-импульса и устанавливают в нулевое положение триггеры решающего устройства. Необходимость синхронизации вытекает из наличия в составе генератора ЛЧМ сигнала и фильтров свертки ДУЛЗ, сигнал на выходе которой появляется с задержкой относительно сигнала на ее входе. Для нормального функционирования устройства обработки необходимо совпадение во времени сигналов на входах перемножителей 1 и 3, попадание в нужное место выходного сигнала сумматора 10 строб-импульса формирователя 9 и установка в нулевое положение перед каждым новым циклом работы триггеров 19, 20 и 21. Решение этих задач и обеспечивает синхронизатор. RC-дифференциатор реализован на основе операционного усилителя типа 544УД1А и пассивной RC-цепи. Формирователь строб-импульса создан на базе цифровых микросхем и содержит два ждущих мультивибратора, первый из которых обеспечивает временную координату, а второй - длительность строб-импульса.
Остальные узлы заявляемого устройства тривиальны и легко реализуемы на элементной базе современной цифровой и аналоговой микросхемотехники.
Заявляемое устройство позволяет получить новый эффект, заключающийся в автоматическом различении простого, ФМ и ЛЧМ радиолокационных сигналов. В сочетании с высокой чувствительностью операции дифференцирования к внутриимпульсной структуре анализируемых сигналов этот эффект дает возможность повысить достоверность их различения, улучшить качество решения задач селекции и идентификации радиолокационных сигналов в системах ПЦУ и РТР и увеличить вероятность правильного распознавания типа РЛС и ее носителя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Е.В. Долбня, Н.В. Соболь, В.Н. Кочемасов. Спектральная и кепстральная обработка радиосигналов с применением устройств на поверхностных акустических волнах. Зарубежная радиоэлектроника, №4, 1982 г., с. 3-32.
2. М.А. Джек, П.М. Грант, Дж.X. Коллинз. Теория, проектирование и применение Фурье-процессов на поверхностных акустических волнах. ТИИЭР, т. 68, №4, с. 22-43, 1980 г.
3. Ю.А. Смирнов, П.Е. Короткий, В.В. Заманаев. Обработка фазоманипулированного сигнала методом дифференцирования устройством на поверхностных акустических волнах. Вопросы кораблестроения, сер. РЛ, вып. 45, 1984, с. 18-21.
4. В.В. Заманаев. Экспериментальные исследования дифференциатора радиолокационных сигналов на поверхностных акустических волнах. Судостроительная промышленность, серия Радиолокация, 1987 г., вып. 7, с. 42÷48.
5. И.С. Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы. М., Советское радио, 1977 г., 608 с.