Адаптивная двухчастотная разностно-фазовая система селекции движущихся целей

Предлагаемое изобретение относится к области радиолокации, в частности к системам защиты от пассивных помех, и может быть использовано при построении устройств селекции целей по скорости на фоне сигналов, отраженных от широкого класса пассивных помех (дипольные отражатели, местные предметы, гидрометеоры, оптические ненаблюдаемые объекты типа "ангелы" и т.д.) в составе радиолокационных станций (РЛС) различного назначения.
Известны [1, 2] устройства защиты двухчастотных РЛС от пассивных помех, содержащие последовательно включенные устройства выделения разностной фазы двух несущих частот и устройство селекции по скорости. При этом в [1] устройство выделения разностной фазы выполнено по схеме перемножитель - фильтр, а в [2] по схеме линейный сумматор – детектор - фильтр, (см. 1. Hsiao Y.K. “Analysis of a dual frequency moving target indication system” The Radio and Electronic Engineer, vol. 45, № 7, pp. 351-356, July 1975. 2. Крещенский. Двухчастотная система СДЦ. Radio and Electronic Engeneering, 1976, VII, Vol. 46, № 7).
Однако недостатком данных устройств является низкая эффективность селекции движущихся целей на фоне пассивных помех за счет расширения спектра флюктуаций сигналов пассивных помех.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению является адаптивная двухчастотная разностно-фазовая система селекции движущихся целей, содержащая первый и второй фазовращатели, входы которых являются соответственно первым и вторым входами системы, последовательно соединенный сумматор, входы которого соединены с выходами соответствующих фазовращателей, и блок фильтрации, между первым входом системы и управляющим входом второго фазовращателя, а также между вторым входом системы и управляющим входом первого фазовращателя включены последовательно элемент задержки, блок выделения доплеровской разности фаз, другой вход которого соединен с входом элемента задержки, и рециркулятор-накопитель. (См. "Вопросы спец. радиоэлектроники", вып. 15, 1981 г., серия PЛТ, стр. 42, рис. 3).
Однако недостатком данного устройства является низкая эффективность его работы в условиях воздействия дискретных пассивных помех, когда точность оценки доплеровской разности фазы, получаемой в устройствах выделения разности фазы, не может быть повышена за счет усреднения значений фазы по соседним элементам дистанции, так как они не заняты сигналами пассивных помех.
Целью настоящего изобретения является повышение помехозащищенности по отношению к дискретным пассивным помехам.
Поставленная цель достигается тем, что в адаптивную двухчастотную разностно-фазовую систему селекции движущихся целей, содержащую первый и второй фазовращатели, входы которых являются соответственно первым и вторым входами системы, последовательно соединенный сумматор, входы которого соединены с выходами соответствующих фазовращателей, и блок фильтрации, между первым входом системы и управляющим входом второго фазовращателя, а также между вторым входом системы и управляющим входом первого фазовращателя включены последовательно элемент задержки, блок выделения доплеровской разности фаз, другой вход которого соединен с входом элемента задержки, и рециркулятор-накопитель, введены ключ, вход которого соединен с выходом блока фильтрации, а выход является выходом системы, и соединенные последовательно вычитатель, входы которого соединены с выходами блоков выделения доплеровской разности фаз, накопитель и пороговый элемент, выход которого соединен с управляющим входом ключа.
На фиг. 1 представлена структурная схема предложенного устройства.
На фиг. 2 представлен пример выполнения блока выделения доплеровской разности фаз.
Адаптивная двухчастотная разностно-фазовая система селекции движущихся целей содержит:
первый фазовращатель 1,
второй фазовращатель 2,
сумматор 3,
блок 4 фильтрации,
элементы 5 задержки,
блоки 6 выделения доплеровской разности фазы,
рециркуляторы-накопители 7,
вычитатель 8,
накопитель 9,
погоровый элемент 10 и ключ 11.
Блок 6 выделения доплеровской разности фазы содержит: фазовые детекторы 12; фазовращатель 13 на π/2; аналого-цифровые преобразователи 14; умножители 15; сумматор 16; вычитатель 17; делитель 18; функциональный преобразователь arctg 19, выполненный на постоянном запоминающем устройстве.
Адаптивная двухчастотная разностно-фазовая система селекции движущихся целей содержит первый 1 и второй 2 фазовращатели, входы которых являются соответственно первым и вторым входами системы, последовательно соединенный сумматор 3, входы которого соединены с выходами соответствующих фазовращателей, и блок 4 фильтрации, между первым входом системы и управляющим входом второго фазовращателя 2, а также между вторым входом системы и управляющим входом первого фазовращателя 1 включены последовательно элемент 5 задержки, блок 6 выделения доплеровской разности фаз, другой вход которого соединен с входом элемента 5 задержки, и рециркулятор-накопитель 7, ключ 11, вход которого соединен с выходом блока 4 фильтрации, а выход является выходом системы, и соединенные последовательно вычитатель 8, входы которого соединены с выходами блоков 6 выделения доплеровской разности фаз, накопитель 9 и пороговый элемент 10, выход которого соединен с управляющим входом ключа.
Предложенная адаптивная разностно-фазовая система селекции движущихся целей работает следующим образом.
1
2
1
2
Эхо-сигналы каждой частоты поступают на соответствующие входы фазовращателей 1 и 2, суммируются в сумматоре 3 и обрабатываются в блоке 4 фильтрации, который по существу является устройством селекции по скорости. Фазовращатели 1 и 2 предназначены для компенсации межпериодного сдвига фазы эхо-сигналов, вызванного наличием радиальной составляющей скорости помехи. Степень компенсации определяется выбранным разносом несущих частот в РЛС и зависит от величины радиальной составляющей скорости. Фазовый сдвиг эхо-сигналов, вводимый в фазовращатели 1 и 2 в каждом рекуррентном периоде, определяется сигналом, поступающим на его вход с рециркулятора-накопителя 7. Блоки 6 выделения доплеровской разности фаз измеряют разность фаз эхо-сигналов смежных периодов повторения в каждом частотном канале. Рециркуляторы-накопители 7 вырабатывают межпериодную разность фаз за два, три и т.д. периодов повторения, которая используется для управления фазой эхо-сигналов, подаваемых на сумматор 3 и далее на блок 4 фильтрации (устройство селекции по скорости). Это позволяет совмещать провал скоростной характеристики устройства селекции по скорости с максимумом смещенного спектра флюктуаций движущихся пассивных помех. Блок 6 выделения доплеровской разности фазы работает следующим образом. Сигналы, действующие на входе и выходе элемента 5 задержки, подаются на первые входы фазовых детекторов 12, на вторые входы которых подается опорное напряжение когерентного гетеродина РЛС. Фазовые детекторы преобразуют эхо-сигналы на промежуточной частоте в видеосигналы квадратурных каналов Х, Х, У, У. Квадратурное представление видеосигналов получается с помощью сдвига на π/2 в фазовращателе 13 опорного напряжения. Видеосигналы квадратур преобразуются в аналого-цифровых преобразователях 14 в цифровые коды квадратур  двух смежных периодов повторения. С помощью умножителей 15, сумматора 16 и вычитателя 17 формируются коды делимого и делителя, подаваемые на входы делителя 18. При этом:
делимое равно , а
делитель равен .
Код частного подается на адресный вход ПЗУ функционального преобразователя Arctg 19, на выходе которого считывается код доплеровской разности фазы
,
1
2
соответственно для каждой частоты ƒ и ƒ.
Выходные коды каждого блока 6 выделения доплеровской разности фазы поступают на цифровой рециркулятор-накопитель 7, представляющий собой последовательно соединенные сумматор и элемент задержки на период повторения (оперативное запоминающее устройство или регистр), охваченные кольцом обратной связи, для формирования оценки удвоенной, утроенной и т.д. разности фаз за два, три и т.д. периодов повторения.
Сброс рециркулятора-накопителя 7 осуществляется счетчиком синхронизатора РЛС, фиксирующим число обрабатываемых импульсов в пачке.
Управляющими сигналами для фазовращателей 1 и 2 являются выходные коды рециркуляторов-накопителей 7. Это позволяет компенсировать доплеровский набег фазы сигнала за один, за два, за три и т.д. периодов повторения РЛС. Число обрабатываемых импульсов в пачке выбирается исходя из типа блока 4 фильтрации, т.е. исходя из типа устройства селекции по скорости.
Например, в качестве такого устройства может быть применена многократная схема череспериодного вычитания, каждый каскад которой включает в себя элемент задержки на период повторения и вычитатель. В многократной схеме череспериодного вычитания осуществляется режекция пассивной помехи тем эффективнее, чем точнее совпадает максимум спектра флюктуаций движущейся пассивной помехи с зоной режекции.
При отражении эхо-сигналов от дискретных пассивных помех блок 6 выделения доплеровской разностной фазы не обеспечивает высокой точности оценки фазы  за счет невозможности усреднения оценки доплеровской разности фазы по соседним элементам дальности, что снижает эффективность компенсации радиальной составляющей скорости медленно движущейся дискретной помехи и, как следствие этого, снижает эффективность режекции пассивной помехи в блоке 4 фильтрации, что подтверждается результатами сравнительного анализа эффективности однократной и четырехкратной схем череспериодного вычитания (См. "Вопросы спец. радиоэлектроники", сер. РЛТ, вып. 15, 1981 г., стр. 42).
Поэтому в данном случае используют сигналы блока выделения разностной фазы иначе, подавая  и  на вычитатель 8, в котором вычисляется межчастотная разность межпериодных разностей фаз .
Указанная величина  накапливается в накопителе 9. Накопитель 9 содержит функциональные преобразователи cos и sin на ПЗУ, включенные на его входе.
На общий вход функциональных преобразователей sin, cos подается код межчастотной разности межпериодной разности фазы , а на выходе вырабатываются коды  и . Полученные коды подаются на рециркуляторы-накопители, охваченные кольцом обратной связи аналогично рециркуляторам-накопителям 7. Накопленные значения синусов и косинусов за несколько периодов повторения РЛС, полученные для каждого элемента разрешения по дальности, подвергаются нормировке в регистрах сдвига. В регистры сдвига записывается параллельный код накопленных значений синусов и косинусов, а затем содержимое регистров сдвигается вправо на необходимое количество разрядов, которое определяется числом накоплений синусов и косинусов. Что можно пояснить следующим образом: если накапливается пачка из 2-х импульсов, то осуществляется один сдвиг вправо, если пачка из 4-х импульсов, то сдвигов вправо будет два и т.д., т.е. число сдвигов равно показателю степени два (где в виде степени с двоичным основанием представляется число накопления синусов и косинусов). Отнормированные коды накопленных значений синусов и косинусов подаются на делитель, на выходе которого частное представляет собой отношение нормированной суммы синусов к нормированной сумме косинусов. Полученный код частного подается на функциональный преобразователь arctg, выполненный на ПЗУ. На выходе функционального преобразователя получается код усредненной по нескольким периодам межчастотной разности межпериодной разности фаз. В данном случае повышение точности оценки достигнуто путем усреднения по нескольким периодам повторения (число периодов накопления равно числу обрабатываемых периодов в блоке 4 фильтрации) для каждого элемента дальности в отдельности.
Это дает возможность значительно повысить точность оценки с сохранением возможности эффективной работы в условиях дискретной пассивной помехи.
Накопленная оценка межчастотной разности межпериодных разностей фаз сравнивается с двухсторонним порогом в пороговом элементе 10, величина порога выбирается из максимально-возможной радиальной скорости медленно-движущейся пассивной помехи. Если порог не превышен, то на выходе порогового элемента 10 действует низкий уровень выходного напряжения, который подается на первый вход ключа 11 и вызывает бланкирование сигнала в данном элементе разрешения по дальности и, наоборот, при превышении порога бланкирования не происходит.
В целях проверки эффективности предлагаемого устройства проводилось математическое моделирование его работы на ЭВМ БЭСМ-6. Для сравнения моделировалась также работа двухчастотного устройства ЧДЦ, описанного в прототипе. Моделирование производилось при следующих исходных данных:
- относительная расстройка несущих частот в двух частотных каналах
- форма доплеровского спектра пассивной помехи - гауссовская;
- относительная двухсторонняя ширина доплеровского спектра помехи по уровню -20 дБ - 0,25;
- селектор по скорости - трехкратный череспериодный компенсатор;
- доплеровская частота полезного сигнала составляла  в первом частотном канале и  во втором частотном канале (близка к оптимальной).
-1
-3
Результаты моделирования показали, что применение бланкирования повышает вероятность обнаружения полезного сигнала, в частности, приводит к уменьшению порогового сигнала для вероятности правильного обнаружения 0,5 на 10-13 дБ при проводке цели в дискретных пассивных помехах для вероятностей ложной тревоги на выходе 10-10. Таким образом, использование предлагаемого устройства защиты позволит, по сравнению с прототипом, повысить эффективность селекции движущихся целей за счет бланкирования сигналов дискретных медленно движущихся пассивных помех.
В качестве базового объекта, в котором реализовано двухчастотное устройство селекции движущихся целей, следует взять РЛС 5Н88. Указанное устройство выполнено на основе принципов, использованных в аналоге [1].
-1
-3
Сопоставительный анализ с помощью моделирования показал, что базовый объект имеет потери в обнаружении целей на фоне дискретных пассивных помех, достигающие 10-15 дБ при вероятности правильного обнаружения 0,5 и вероятности ложной тревоги 10-10 по сравнению с предлагаемым устройством.