Устройство доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов
DEVICE FOR DOPPLER PROCESSING AND COMPRESSION OF PHASE-SHIFT KEYED RADAR SIGNALS

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для разработки и модернизации устройств доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов, что обеспечивает повышение тактико-технических характеристик и эффективности использования первичных радиолокационных станций (РЛС).
В радиолокационных станциях, работающих в импульсном режиме, повышение разрешающей способности по дальности (при сохранении энергии сигнала) может быть достигнуто благодаря использованию внутриимпульсной модуляции, в частности, фазовой манипуляции и последующей обработкой (сжатием по времени) отраженных радиолокационных сигналов. При этом большая длительность радиоимпульсов обеспечивает энергию сигнала, необходимую для обнаружения летательных аппаратов (ЛА), а внутриимпульсная фазовая манипуляция и сжатие - заданное разрешение по дальности.
В настоящее время широкое распространение получило использование сигналов с фазовой манипуляцией 0-π между временными элементами длинного радиоимпульса, выполненной в соответствии с кодами Баркера. Последующая оптимальная или подоптимальная обработка таких сигналов обеспечивает их сжатие по времени до величины, соответствующей длительности одного элемента [1].
Устройство доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов является составной частью приемопередающего тракта РЛС и обеспечивает когерентное накопление и доплеровскую фильтрацию фазоманипулированного (ФМ) сигнала с повышенным разрешением по скорости ЛА, а также сжатие ФМ сигнала.
0
N-1
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство обработки фазоманипулированных радиолокационных сигналов, выбранное в качестве прототипа [2] (фиг. 1), содержащее схему стробирования (1), запоминающее устройство (2), подоптимальные фильтры (3÷3), где N - количество доплеровских каналов, блок доплеровского накопления (4) и формирователь эталонного сигнала (5) с соответствующими связями.
При сжатии ФМ сигнала подавление боковых лепестков обеспечивается при соответствии спектра обрабатываемого сигнала коэффициенту передачи подоптимального фильтра устройства обработки фазоманипулированных радиолокационных сигналов в спектральной области. Однако в реальной аппаратуре коэффициент передачи приемо-передающего тракта РЛС вносит искажения в спектр сигнала, что может привести к ухудшению характеристик его сжатия.
С целью компенсации искажений ФМ сигнала импульсная характеристика (ИХ) подоптимального фильтра устройства обработки фазоманипулированных радиолокационных сигналов формируется с использованием оценки параметров зондирующего сигнала, прошедшего через приемопередающий тракт РЛС (эталонного сигнала), что позволяет автоматически подстраивать подоптимальный фильтр под искажения эхо-сигнала. При этом коэффициент передачи подоптимального фильтра в спектральной области соответствует спектру эхо-сигнала, т.к. эталонный и эхо-сигналы проходят через один и тот же приемо-передающий тракт.
Импульсная характеристика подоптимального фильтра при отсутствии доплеровского сдвига частоты имеет вид
s
i
B
-1
a
где λ(n) - ИХ подоптимального фильтра при отсутствии доплеровского сдвига частоты;  - элементарный (немодулированный) импульс; n - номер дискреты (отсчета); n - количество дискрет в одном элементе ФМ сигнала; δ(n) - дельта-функция; F и F - операторы соответственно прямого и обратного дискретных преобразований Фурье;  - ИХ кодирующего фильтра; =±1; n - количество элементов ФМ сигнала.
p
Доплеровский набег фазы принятого сигнала за время T, равное длительности одного элемента ФМ сигнала, определяется выражением
D
D
p
R
p
C
Δϕ=ƒT=2vT/λ,
D
p
D
C
R
где Δϕ - доплеровский набег фазы принятого сигнала; T - длительность одного элемента ФМ сигнала; ƒ - доплеровский сдвиг частоты; λ - длина волны излучаемого сигнала; v - радиальная скорость движения цели.
Импульсная характеристика подоптимального фильтра с учетом доплеровского сдвига частоты имеет вид
D
где λ(n) - ИХ подоптимального фильтра с учетом доплеровского сдвига частоты; T - период дискретизации сигнала; j - мнимая единица; * - символ свертки.
Устройство - прототип работает следующим образом: на вход 1 схемы стробирования (1) с цифрового фазового детектора приемного тракта РЛС поступает входной сигнал: в моменты времени, соответствующие излучению зондирующих импульсов, поступают отсчеты эталонного сигнала, в остальные моменты времени - отсчеты эхо-сигнала. На вход 2 схемы стробирования (1) с синхронизатора в моменты времени, соответствующие излучению зондирующих импульсов, поступает сигнал Строб. При этом с выхода 4 схемы стробирования (1) эталонный сигнал поступает на вход 1 запоминающего устройства (2) и записывается в запоминающее устройство (2) по синхросигналу, поступающему на вход 2 запоминающего устройства (2).
0
N-1
В остальные моменты времени с выхода 3 схемы стробирования (1) эхо-сигнал поступает на блок доплеровского накопления (4). С выходов 2÷(N+1) блока доплеровского накопления (4) на входы 1 подоптимальных фильтров 3÷3, образующих N доплеровских каналов, поступает эхо-сигнал 1.
Di
Dmax
Каждый доплеровский канал настроен на эхо-сигналы с доплеровским сдвигом частоты, равным  где ƒ - доплеровский сдвиг частоты, соответствующий i-ому доплеровскому каналу; ƒ - доплеровский сдвиг частоты, соответствующий (N-1)-ому доплеровскому каналу; i=0÷(N-1) - номер доплеровского канала.
Эталонный сигнал, записанный в запоминающее устройство (2), поступает в виде запомненного эталонного сигнала на выход 3 запоминающего устройства (2). Запомненный эталонный сигнал без доплеровского сдвига частоты κ(n) поступает с выхода 3 запоминающего устройства (2) на вход 1 формирователя эталонного сигнала (5).
0
N-1
С выходов 2÷(N+1) формирователя эталонного сигнала (5) на входы 2 подоптимальных фильтров 3÷3, образующих N доплеровских каналов, поступает эталонный сигнал 1
i
Di
D
κ(n)=κ(n)ехр(2πjƒnT),
i
D
где i=0÷(N-1), κ(n) - эталонный сигнал 1 в i-ом доплеровском канале;
κ(n) - эталонный сигнал без доплеровского сдвига частоты.
0
1
N-1
Di
В каждом подоптимальном фильтре 3, 3, …, 3 выполняется сжатие эхо-сигнала 1 из i-го доплеровского канала с эталонным сигналом 1, соответствующим доплеровскому сдвигу частоты ƒ.
Использование N подоптимальных фильтров позволяет выполнять сжатие ФМ сигнала с учетом доплеровского сдвига частоты, что обеспечивает сохранение характеристик эффективности сжатия сигналов, отраженных от движущихся ЛА.
0
1
N-1
Импульсная характеристика подоптимальных фильтров 3, 3, …, 3 с учетом доплеровского сдвига частоты имеет вид
Di
0
1
N-1
где i=0÷(N-1), λ(n) - ИХ подоптимальных фильтров 3, 3, …, 3.
0
N-1
Выходы подоптимальных фильтров 3÷3 являются выходами устройства обработки фазоманипулированных радиолокационных сигналов.
Di
На фиг. 2 показано распределение по доплеровским каналам эхо-сигнала с доплеровским сдвигом частоты ƒ (i=63, N=128), соответствующим 63-ему доплеровскому каналу.
В блоке доплеровского накопления (4) по каждому из элементов дальности осуществляется N - точечное дискретное преобразование Фурье (ДПФ). В результате этой процедуры, для каждого из элементов разрешения по дальности формируется массив, содержащий N спектральных линий доплеровской частоты. Из-за конечного количества точек ДПФ, в результате выполнения операции дискретного преобразования Фурье будут иметь место краевые эффекты. В результате эхо-сигнал 1 на выходах 2÷(N+1) блока доплеровского накопления (4) искажается, что приводит к снижению разрешающей способности по скорости. При этом сильный эхо-сигнал одного ЛА может искажать или полностью маскировать слабый эхо-сигнал другого ЛА (при попадании эхо-сигналов на один и тот же элемент разрешения по дальности).
На фиг. 3 показано искажение эхо-сигнала 1 с доплеровским сдвигом частоты  соответствующим среднему положению между 63-им и 64-ым доплеровскими каналами.
На фиг. 4 приведено искажение эхо-сигнала 1 в логарифмическом масштабе. Как следует из фиг. 4, относительный уровень эхо-сигнала при отстройке на 2 доплеровских канала (по сравнению с его пиковым уровнем на 63 доплеровском канале) составил около минус 14 дБ, при отстройке на 63 доплеровских канала - минус 38 дБ. Следовательно, данное устройство обработки фазоманипулированных радиолокационных сигналов не обеспечивает сохранение характеристик эффективности сжатия в части разрешающей способности по скорости.
Задачей создания изобретения является увеличение разрешающей способности по скорости ЛА.
0
N-1
Указанная задача достигается тем, что в устройство доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов, содержащее схему стробирования (1), запоминающее устройство (2), блок доплеровского накопления (4), подоптимальные фильтры (3÷3), где N - количество доплеровских каналов, формирователь эталонного сигнала (5) с соответствующими связями, дополнительно введены блок весовой обработки эхо-сигналов (6) и блок весовой обработки эталонного сигнала (7), которые обеспечивают значительное снижение уровня указанных сигналов в соседних доплеровских каналах, причем третий выход схемы стробирования (1) соединен со входом блока весовой обработки эхо-сигналов (6), выход которого соединен с блоком доплеровского накопления (4), третий выход запоминающего устройства (2) соединен со входом блока весовой обработки эталонного сигнала (7), выход которого соединен с формирователем эталонного сигнала (5).
На фиг. 5 приведена функциональная схема предлагаемого устройства доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов.
Предлагаемое устройство работает следующим образом: на вход 1 схемы стробирования (1) с цифрового фазового детектора приемного тракта РЛС поступает входной сигнал: в моменты времени, соответствующие излучению зондирующих импульсов, поступают отсчеты эталонного сигнала, в остальные моменты времени - отсчеты эхо-сигнала. На вход 2 схемы стробирования (1) с синхронизатора в моменты времени, соответствующие излучению зондирующих импульсов, поступает сигнал Строб. При этом с выхода 4 схемы стробирования (1) эталонный сигнал поступает на вход 1 запоминающего устройства (2) и записывается в запоминающее устройство (2) по синхросигналу, поступающему на вход 2 запоминающего устройства (2).
0
N-1
В остальные моменты времени с выхода 3 схемы стробирования (1) эхо-сигнал поступает на блок весовой обработки эхо-сигналов (6). С выхода блока весовой обработки (6) эхо-сигнал поступает на вход блока доплеровского накопления (4). С выходов 2÷(N+1) блока доплеровского накопления (4) на входы 1 подоптимальных фильтров 3÷3, образующих N доплеровских каналов, поступает эхо-сигнал 1.
Эталонный сигнал, записанный в запоминающее устройство (2), поступает в виде запомненного эталонного сигнала на выход 3 запоминающего устройства (2). Запомненный эталонный сигнал без доплеровского сдвига частоты κ(n) поступает с выхода 3 запоминающего устройства (2) на вход блока весовой обработки эталонного сигнала (7), с выхода которого эталонный сигнал поступает на вход 1 формирователя эталонного сигнала (5).
0
N-1
С выходов 2÷(N+1) формирователя эталонного сигнала (5) на входы 2 подоптимальных фильтров 3÷3, образующих N доплеровских каналов, поступает эталонный сигнал 1.
0
N-1
Выходы подоптимальных фильтров 3÷3 являются выходами устройства доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов.
На фиг. 6 в логарифмическом масштабе показано распределение по доплеровским каналам выходного сигнала устройства доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов (при использовании весового окна Кайзера [3] с параметром β=4; доплеровский сдвиг частоты сигнала  При этом относительный уровень выходного сигнала при отстройке на 2 доплеровских канала (по сравнению с его пиковым уровнем на 63 доплеровском канале) составил не более минус 39 дБ, а при отстройке на 63 доплеровских канала - минус 57 дБ; энергетические потери от оконного взвешивания - не более 1 дБ.
Из сравнения фиг. 4 и фиг. 6 следует, что предлагаемое устройство доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов обеспечивает увеличение разрешающей способности по скорости, выражающееся в значительном снижении уровня выходного сигнала в соседних доплеровских каналах относительно предложенного в [2] технического решения (приблизительно на 25 дБ и 19 дБ при отстройке соответственно на 2 и 63 доплеровских канала).
Эффективность устройства доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов подтверждена при его использовании в аппаратуре первичной обработки информации, разработанной на предприятии.
Использование устройства доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов в аппаратуре первичной обработки информации позволило значительно повысить разрешающую способность по скорости и снизить уровень выходного сигнала в соседних доплеровских каналах (приблизительно на 25 дБ и 19 дБ при отстройке соответственно на 2 и 63 доплеровских канала).
ЛИТЕРАТУРА
1 Теоретические основы радиолокации. М.: Советское радио, 1970 / Под ред. Ширмана Я.Д. - с. 137-139.
2 Патент 2628405 (РФ). Устройство обработки фазоманипулированных радиолокационных сигналов. Опубл. в бюллетене, 2017. №23.
3 Kaiser, J.F., "Nonrecursive Digital Filter Design Using the I0 - sinh Window Function, "Proc. 1974 IEEE Symp. Circuits and Systems, (April 1974), pp. 20-23.