Радиоприемное устройство импульсно-доплеровской РЛС с многоканальной весовой обработкой

Устройство относится к области радиолокации и, конкретно, к системам обработки квазинепрерывного радиолокационного сигнала в импульсно-доплеровских РЛС в режиме высокой частоты повторения импульсов. Устройство может быть использовано в системах первичной обработки радиолокационной информации импульсно-доплеровских РЛС различного назначения.
Известно радиоприемное устройство импульсно-доплеровской РЛС [1, 2]. Радиоприемное устройство обеспечивает обработку принятого сигнала, содержащего смесь полезного сигнала (сигнала цели), пассивной помехи (ПП) и шума различной природы, с целью выделения и обнаружения полезного сигнала, имеющего доплеровский сдвиг частоты относительно ПП. Радиоприемное устройство позволяет повысить отношение энергии полезного сигнала к суммарной энергии ПП и шума.
Входным сигналом радиоприемного устройства является сигнал с выхода приемной антенной системы.
Радиоприемное устройство состоит из следующих устройств:
предварительного селектора;
малошумящего высокочастотного усилителя;
смесителя;
гетеродина;
фильтра промежуточной частоты;
усилителя промежуточной частоты;
аналого-цифрового преобразователя;
генератора сигналов стробирования;
генератора весовых распределений;
многоканального фильтра, состоящего из N идентичных каналов дальности, каждый из которых состоит из последовательно включенных: умножителя стробирования, согласованного фильтра, умножителя взвешивания, блока быстрого преобразования Фурье, многоканального детектора огибающей и многоканального устройства порогового сравнения.
Задача снижения уровня боковых лепестков ПП в частотной области решается фильтрацией сигнала путем его взвешивания во временной области [1, 2]. Операция взвешивания приводит к энергетическим потерям полезного сигнала. Величина взвешивания может выбираться адаптивно путем регистрации пиковых уровней сигнала (обычно ПП по главному лучу) и динамичного подбора взвешивания [1, с. 188]. Такой способ снижает энергетические потери адаптивно к интенсивности ПП, но в случае ПП высокой интенсивности, энергетические потери неизбежны для сигналов целей с любым доплеровским смещением частоты. На практике широко используется весовое распределение Дольфа-Чебышева, являющееся оптимальным по критерию минимального уровня боковых лепестков при минимальном расширении главного лепестка (минимальных энергетических потерях) [2]. Энергетические потери при взвешивании сигнала распределением Дольфа-Чебышева, с уровнем боковых лепестков -90 дБ, составляют 2,66 дБ [3]. Помимо распределения Дольфа-Чебышева на практике часто используются распределения Тейлора, Ханна, Хемминга, Натолла и другие. Данные распределения характеризуются различным уровнем боковых лепестков, законом их убывания и вносимыми энергетическими потерями.
Известное радиоприемное устройство обеспечивает формирование матрицы дальность - радиальная скорость (задержка - доплеровский сдвиг) путем многоканальной, как по дальности, так и по радиальной скорости, обработке (фильтрации) локационного сигнала, при этом для фильтрации сигнала во всех каналах радиальной скорости используется одно весовое распределение. Элементы матрицы дальность - радиальная скорость могут принимать одно из двух значений 0 или 1 в зависимости от результата сравнения сигнала соответствующего канала с пороговым значением. Нулевое и единичное значения элементов матрицы соответствуют условию не превышения либо превышения сигналом порогового значения соответственно.
Особенностью снижения уровня боковых лепестков спектра ПП при помощи взвешивания сигнала перечисленными весовыми распределениями является подавление боковых лепестков спектра ПП во всем диапазоне интересующих (анализируемых) доплеровских частот. Наибольшей энергией обладают ближние боковые лепестки, наименьшей энергией - дальние. Подавление ближних боковых лепестков спектра ПП необходимо для обнаружения сигналов целей, имеющих малый доплеровский сдвиг, в то время как для сигналов целей имеющих больший доплеровский сдвиг требуется подавление только дальних боковых лепестков спектра ПП, следовательно, для фильтрации последних сигналов с большими доплеровскими сдвигами могут быть применены весовые распределения, подавляющие только дальние боковые лепестки спектра.
Таким образом, недостатком известного радиоприемного устройства является наличие энергетических потерь, обусловленных использованием весовых распределений, не адаптивных к доплеровскому сдвигу обнаруживаемого сигнала.
В качестве аналога выбрано известное радиоприемное устройство [1, с. 185].
Техническим результатом полезной модели является снижение энергетических потерь, возникающих при весовой обработке сигнала в импульсно-доплеровской РЛС [1, с. 188].
Технический результат достигается использованием набора многоканальных фильтров, в каждом из которых используется специальное весовое распределение, обеспечивающее подавление ПП в узком диапазоне доплеровских частот, и вносящее меньшие энергетические потери, чем весовые распределения, подавляющие ПП во всем диапазоне доплеровских частот.
Радиоприемное устройство импульсно-доплеровской РЛС с многоканальной весовой обработкой (фиг. 1) состоит из последовательно соединенных: предварительного селектора 1, малошумящего высокочастотного усилителя 2, смесителя 3, фильтра промежуточной частоты 5, усилителя промежуточной частоты 6, аналого-цифрового преобразователя 7 и набора идентичных параллельно включенных многоканальных фильтров 8.1-8.М, выходы которых соединены с входами схемы объединения диапазонов радиальных скоростей 9. Устройство содержит: генератор весовых распределений 11, соединенный с входами соответствующих многоканальных фильтров 8.1-8.М, генератор сигналов стробирования 10, соединенный с многоканальными фильтрами 8.1-8.М и гетеродин 4, соединенный со смесителем 3. Генератор весовых распределений 11 формирует специальные весовые распределения, отличающиеся диапазоном доплеровских сдвигов для каждого многоканального фильтра.
Специальное весовое распределение, обеспечивающее снижение уровня спектральных составляющих ПП в заданном диапазоне доплеровских сдвигов [а, b], вычисляется по формуле
win
где L - число элементов специального весового распределения;
win
Δ - шаг дискретизации для формирования области сниженного уровня спектральных составляющих ПП;
- индексы элементов вектора весового распределения.
n
u - элементы весового вектора u
nm
n
m
n
m
R - матрица, элементы которой r=sink(x-y)+sink(x+y),
y=х,
b=-2 sink (х) - вектор-столбец;
sink(z) - введенная для удобства расчета функция,
J - число (для достижения результата достаточно J≥100).
Вычисленные по (1) специальные весовые распределения являются амплитудными, что обеспечивает симметричный, относительно нулевой частоты, модуль спектра. При формировании области сниженного уровня спектральных составляющих ПП [а, b], симметрично формируется область [-b, -а], что обеспечивает обнаружение сигналов как с положительным, так и с отрицательным доплеровскими частотами.
Спектр ПП, образованной отражением зондирующего сигнала от подстилающей поверхности, местных предметов и метеорологических образований шире спектра излучаемого РЛС сигнала по причине наличия доплеровских сдвигов вызванных ветром (раскачивание деревьев, волны на поверхности воды, движение метеорологических образований и т.д.) [1]. Данный фактор необходимо учитывать при синтезе весовых распределений, путем увеличения задаваемой области сниженного уровня спектральных составляющих ПП на ширину спектра ПП.
min
max
m
m
m
m
При решении задачи обнаружения сигналов в области спектра [f, f] данная область разбивается на М диапазонов радиальных скоростей [a, b],  Для обработки сигналов каждого диапазона радиальных скоростей используется свой многоканальный фильтр. Для каждого диапазона радиальных скоростей [a, b] производится расчет специального весового распределения по (1). Количество диапазонов радиальных скоростей выбирается исходя из компромисса между числом диапазонов радиальных скоростей (вычислительными затратами) и энергетическими потерями. Зависимость энергетических потерь от положения формируемой области сниженного уровня спектральных составляющих ПП, заданной нижней границей диапазона радиальных скоростей а и ее ширины, равной разности между верхней b и нижней а границами диапазона, приведена на фиг. 2. Буквами а, б и в на фиг. 2 обозначены зависимости энергетических потерь от положения формируемой области сниженного уровня спектральных составляющих ПП на оси доплеровских частот и ее ширины, при ширине области сниженного уровня спектральных составляющих ПП 5, 10 и 15 радиан соответственно.
Расчет специальных весовых распределений, используемых при фильтрации сигнала, производится заранее для каждого зондирующего сигнала с учетом параметров ПП.
win
win
На фиг. 3 и 4 в качестве примеров приведены энергетические спектры специальных весовых распределений, синтезированных для а=3,5, b=13,5 (фиг. 3) и a=30, b=40 (фиг. 4) при Δ=0,05 и L=128. На тех же фигурах для сравнения приведены энергетические спектры весового распределения Дольфа-Чебышева (-90 дБ), обозначенные пунктиром. Как видно из фиг. 3 и 4, глубина области сниженного уровня спектральных составляющих ПП при использовании синтезированных специальных весовых распределений, больше глубины, обеспечиваемой весовым распределением Дольфа-Чебышева (-90 дБ), что свидетельствует о более высоком качестве режекции сигналов ПП.
Схема объединения диапазонов радиальных скоростей 9 формирует матрицу дальность-радиальная скорость из аналогичных матриц, поступающих с выходов многоканальных фильтров следующим образом (фиг. 5). Выходная матрица Мвых формируется путем конкатенации (присоединения) подматриц, формируемых многоканальными фильтрами так, что каждая подматрица соответствует диапазону доплеровских частот (радиальных скоростей), задаваемых для данного многоканального фильтра специальным весовым распределением.
Таким образом, заявленное радиоприемное устройство обеспечивает многоканальную весовую обработку по доплеровской частоте (радиальной скорости), за счет чего достигается снижение энергетических потерь.
Полезная модель иллюстрируется следующими фигурами.
Фиг. 1 - структурная схема радиоприемного устройства импульсно-доплеровской РЛС с многоканальной весовой обработкой. На схеме обозначены:
1 - предварительный селектор;
2 - малошумящий высокочастотный усилитель;
3 - смеситель;
4 - гетеродин;
5 - фильтр промежуточной частоты;
6 - усилитель промежуточной частоты;
7 - аналого-цифровой преобразователь;
8.1-8.М - многоканальные фильтры;
9 - схема объединения диапазонов радиальных скоростей;
10 - генератор сигналов стробирования;
11 - генератор весовых распределений.
Фиг. 2 - зависимости энергетических потерь от местоположения формируемой области сниженного уровня спектральных составляющих ПП на оси доплеровских частот и его ширины. Буквами а, б и в обозначены зависимости, соответствующие ширине области сниженного уровня спектральных составляющих ПП 5, 10 и 15 радиан.
Фиг. 3 - энергетический спектр специального весового распределения, обеспечивающего сниженный уровень спектральных составляющих ПП в области малых доплеровских сдвигов (сплошная линия), энергетический спектр весового распределения Дольфа-Чебышева -90 дБ (пунктир).
Фиг. 4 - энергетический спектр специального весового распределения, обеспечивающего сниженный уровень спектральных составляющих ПП в области больших доплеровских сдвигов (сплошная линия), энергетический спектр весового распределения Дольфа-Чебышева -90 дБ (пунктир).
Фиг. 5 - принцип формирования матрицы дальность-радиальная скорость схемой объединения диапазонов радиальных скоростей 9. На фигуре обозначены:
1
2
M
M, М, …, M - матрицы дальность-радиальная скорость, формируемые многоканальными фильтрами 8.1-8.М;
Мвых - матрица дальность-радиальная скорость, формируемая схемой объединения диапазонов радиальных скоростей 9.
Фиг. 6 - диаграммы временной работы генератора сигналов стробирования 10.
Фиг. 7 - структурная схема многоканального фильтра 8. На схеме обозначены:
12.1-12.N - каналы дальности;
13 - умножитель стробирования;
14 - согласованный с единичным импульсом фильтр;
15 - умножитель взвешивания;
16 - буфер;
17 - процессор быстрого преобразования Фурье;
18 - многоканальный детектор огибающей;
19 - многоканальное устройство порогового сравнения;
0
q - порог обнаружения.
Работа радиоприемного устройства осуществляется следующим образом.
Входным сигналом радиоприемного устройства импульсно-доплеровской РЛС с многоканальной весовой обработкой является сигнал с приемной антенны.
Входной сигнал подвергается обработке проходя через последовательно включенные предварительный селектор 1, малошумящий высокочастотный усилитель 2, смеситель 3, фильтр промежуточной частоты 5, усилитель промежуточной частоты 6 и аналого-цифровой преобразователь 7. На второй вход смесителя 3 поступает сигнал гетеродина 4.
Сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя 7 поступает в идентичные параллельные многоканальные фильтры 8.1-8.М
Выходы многоканальных фильтров 8.1-8.М соединены с входом схемы объединения диапазонов радиальных скоростей 9, формирующей матрицу дальность - радиальная скорость.
Многоканальные фильтры 8.1-8.М имеют вход сигналов стробирования, соединенный с генератором сигналов стробирования 10. Диаграммы временной работы генератора сигналов стробирования 10 приведены на фиг. 6.
Многоканальные фильтры 8.1-8.М имеют вход сигнала весового распределения, соединенный с соответствующим выходом генератора весовых распределений 11. Генератор весовых распределений 11 производит генерацию набора из М заранее рассчитанных по (1) специальных весовых распределений путем извлечения их из энергонезависимой памяти. Генерируемый набор из М специальных весовых распределений соответствует диапазонам доплеровских сдвигов.
Каждый из многоканальных фильтров 8.1-8.М состоит из N идентичных параллельных каналов дальности 12.1-12.N (фиг. 7).
Каждый канал дальности 12.1-12.N состоит из последовательно включенных умножителя стробирования 13, согласованного с единичным импульсом фильтра 14, умножителя взвешивания 15, буфера 16, процессора быстрого преобразования Фурье 17, многоканального детектора огибающей 18 и многоканального устройства порогового сравнения 19.
0
Сигнал стробирования и сигнал весового распределения поступают на вторые входы умножителя стробирования 13 и умножителя взвешивания 15 соответственно. Порог обнаружения q поступает на второй вход многоканального устройства порогового сравнения 19.
Выходным сигналом радиоприемного устройства является матрица дальность - радиальная скорость, элементы которой могут принимать одно из двух значений 0 или 1 в зависимости от результата сравнения сигнала соответствующего подканала с пороговым значением. Нулевое и единичное значения элементов матрицы соответствуют решению об отсутствии и наличии цели соответственно.
Энергетические потери, вносимые весовой обработкой, сокращаются в зависимости от радиальной скорости цели.
Таким образом, заявленное радиоприемное устройство обеспечивает формирование матрицы дальность - радиальная скорость (задержка - доплеровский сдвиг) путем многоканальной, как по дальности, так и по радиальной скорости обработке квазинепрерывного сигнала с меньшими, чем у аналога, энергетическими потерями. По сравнению с известным радиоприемным устройством, в котором применяется весовое распределение Дольфа-Чебышева с уровнем боковых лепестков -90 дБ, предложенное радиоприемное устройство обеспечивает снижение энергетических потерь на величину от 0,1 до 2,5 дБ в зависимости от доплеровского сдвига обнаруживаемого сигнала при более высоком качестве режекции ПП, чем у аналога.
Литература
1. Справочник по радиолокации под ред. М.И. Сколника. Пер. с англ. Под общей ред. В.С. Вербы. Книга 2. М.: Техносфера, 2014.
2. Трухачев А.А., Радиолокационные сигналы и их применения. - М.: Воениздат, 2005.
3. Дворкович В.П., Дворкович А.В. Оконные функции для гармонического анализа сигналов. М.: Техносфера, 2014.