Устройство компенсации импульсных помех
PULSE INTERFERENCE COMPENSATION DEVICE

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) для защиты от импульсных помех известной структуры.
Известен широкий спектр устройств, позволяющих осуществлять компенсацию помех, поступающих на РЛС совместно с полезным сигналом, большинство из них базируется на идее, предложенной в работе [1]. В настоящее время принято выделять три основных метода компенсации [2]: с помощью вспомогательных (компенсационных) радиоприемников; череспериодная компенсация; компенсация путем декорреляции помех. Данные методы имеют большое число схемных реализаций. Один из основных недостатков известных технических решений, базирующихся на перечисленных методах, заключается в невозможности компенсации импульсной помехи, поступающей в приемный тракт РЛС по главному лепестку ее диаграммы направленности, действующей на одной частоте и перекрывающейся во времени с полезным сигналом РЛС. Обусловлено это тем, что в структурах полезного сигнала и помехи отсутствуют пространственные, временные, частотные и поляризационные различия, позволяющие выделить компенсирующее напряжение и исключить полезный сигнал из цепей адаптации [3]. В таких условиях обнаружение полезного сигнала существенно затрудняется.
0
Наиболее близкое устройство защиты от импульсных помех разработано на основе устройства [4], включающего последовательно соединенные: фильтр, согласованный с зондирующим сигналом, детектор огибающей и блок сравнения с порогом обнаружения, выход которого является выходом устройства защиты от импульсных помех. На основе этого в наиболее близкое устройство [5] (фиг. 1) введены последовательно соединенные: фильтр, согласованный с импульсной помехой, второй детектор огибающей и блок выбора порога обнаружения. Вход устройства образуют соединенные между собой вход фильтра, согласованного с зондирующим сигналом, и вход фильтра, согласованного с импульсной помехой. Второй вход блока выбора порога обнаружения предназначен для подачи величины порога обнаружения (q), соответствующего заданному уровню ложных тревог в отсутствие сигнала и помех, выход данного блока соединен со вторым входом блока сравнения с порогом обнаружения, выход которого является выходом устройства защиты от импульсных помех.
и
п
0
Наиболее близкое устройство позволяет подавлять импульсные помехи, в том числе импульсные помехи с известной структурой. К таким помехам можно отнести импульсные помехи, создаваемые своими радиотехническими средствами, расположенными в окрестности РЛС. Однако в рассмотренных устройствах не учитывается возможность компенсации импульсной помехи известной структуры, представляющей собой радиоимпульс, несущая частота и ширина спектра которого такие же как у полезного сигнала, а длительность и амплитуда не меньше, но могут превышать в разы соответствующие параметры полезного сигнала. Подобная ситуация возникнет, если, как показано на фиг. 2, в качестве зондирующего сигнала РЛС используется сверхкороткоимпульсный (СКИ) сигнал с длительностью порядка τ = 10 нс, а импульсной помехой известного вида является линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ) сигнал с длительностью порядка τ = 1 мкс и девиацией частоты Δf = 100 МГц [6]. Такое соотношение параметров помехи и полезного сигнала при их совместном поступлении на РЛС по главному лепестку ее диаграммы направленности обеспечивает неблагоприятные, с точки зрения энергетических соотношений, условия выделения полезного сигнала. В этом случае в блоке выбора порога обнаружения наиболее близкого устройства защиты от импульсных помех может сформироваться (выбраться) порог Q (фиг. 1), превышающий уровень полезного сигнала. Таким образом, проявится техническое противоречие, обусловленное тем, что при наличии на входе обнаружителя РЛС полезного сигнала будет принято решение о его отсутствии (фиг. 3 - 1в), а это приведет к пропуску цели.
Техническим результатом настоящего устройства является увеличение защищенности РЛС от импульсных помех известной структуры мощностью, превышающей мощность полезного сигнала.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве защиты от импульсных помех, содержащем последовательно соединенные фильтр, согласованный с зондирующим сигналом, первый детектор огибающей и первый блок сравнения с порогом обнаружения, выход которого является выходом устройства защиты от импульсных помех, а второй вход которого предназначен для подачи величины порога обнаружения, соответствующего заданному уровню ложных тревог в отсутствие сигнала и помех, согласно изобретению, вход фильтра, согласованного с зондирующим сигналом, соединен с выходом размыкающей цепи переключающего контакта введенного первого реле, управляющий вход которого и управляющий вход введенного второго реле соединены между собой и соединены с выходом введенного второго блока сравнения с порогом обнаружения, второй вход которого предназначен для подачи величины порога обнаружения, соответствующего заданному уровню ложных тревог в отсутствие сигнала и помех, а его первый вход и вход замыкающего контакта второго реле соединены между собой и соединены с выходом второго детектора огибающей, вход которого соединен с выходом фильтра, согласованного с импульсной помехой, при этом выход замыкающего контакта второго реле соединен с входом введенного детектора временнóго положения максимума сигнала, первый выход которого соединен с входом введенного блока вычисления длительности задержки, а второй выход соединен с входом введенного блока вычисления амплитуды компенсирующего сигнала, выход которого соединен с входом введенного блока формирования компенсирующего сигнала, выход которого соединен с входом введенного цифрового фазовращателя, выход которого соединен с первым входом введенной программируемой линии задержки, второй вход которой соединен с выходом блока вычисления длительности задержки, а выход соединен с первым входом введенного вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом замыкающей цепи переключающего контакта первого реле, а первый выход соединен со входом введенного блока вычисления мощности сигналов, выход которого соединен с первым входом введенного блока выбора сигнала с минимальной мощностью, второй вход которого соединен со вторым выходом вычитающего устройства, а выход соединен со связанными между собой входом фильтра, согласованного с импульсной помехой, и общим контактным элементом переключающего контакта первого реле, образующими вход устройства компенсации импульсных помех, при этом по роду контактов первое реле является реле с переключающим контактом, а второе реле - реле с замыкающим контактом.
Сущность изобретения основана на свойстве инвариантности согласованного фильтра к времени поступления на него сигнала, с которым он согласован, и достижении максимума отклика на его выходе за время, равное длительности поступившего сигнала.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг. 1 - наиболее близкое устройство защиты от импульсных помех.
Фиг. 2 - пример осциллограмм сигналов, составляющих аддитивную сигнальную смесь, поступающую на вход РЛС.
Фиг. 3 - осциллограммы, отражающие порядок компенсации мешающих сигналов в варианте аддитивной сигнальной смеси, представленной на фиг. 2, шаг изменения начальной фазы компенсирующего сигнала при этом равен Δϕ = 3°36'. В столбце «а» представлены осциллограммы аддитивной сигнальной смеси: 1а - изначально принятая реализация, соответствующая изображенной на фиг. 2; 2а - аддитивная смесь после компенсации одного мешающего сигнала; 3а - аддитивная смесь после компенсации второго помехового сигнала; 4а - аддитивная смесь после компенсации последнего ЛЧМ сигнала. В столбце «б» и «в» представлены реакции фильтров, согласованных с импульсной помехой известной структуры (столбец «б») и с полезным сигналом (столбец «в»), на соответствующие сигнальные конструкции из столбца «а».
0
Фиг. 4 - заявляемое устройство компенсации импульсных помех, включающее: 1 (15) - фильтр, согласованный с импульсной помехой (полезным - зондирующим сигналом); 2 и 16 - детекторы огибающей; 3 и 17 - блоки сравнения с порогом обнаружения (q); 4 (5) - реле замыкающее (переключающее); 6 - детектор временнóго  положения максимума сигнала; 7 - блок вычисления длительности задержки; 8 - блок вычисления амплитуды компенсирующего сигнала; 9 - блок формирования компенсирующего сигнала; 10 - цифровой фазовращатель; 11 - программируемая линия задержки; 12 - вычитающее устройство; 13 - блок вычисления мощности сигналов; 14 - блок выбора сигнала с минимальной мощностью. На представленном чертеже в функциональных блоках изобретения, имеющих несколько входов (выходов), они обозначены арабскими (римскими) цифрами.
Рассмотрим порядок работы изобретения. Сигнал на входе приемника РЛС может представлять аддитивную комбинацию - сигнальную смесь, состоящую из полезного сигнала, импульсной помехи известного вида и постоянно действующего «белого» шума. При отсутствии помехи известной структуры в принятой аддитивной смеси требуется установить факт наличия (отсутствия) полезного сигнала - осуществить его правильное обнаружение (необнаружение) [4]. В случае наличия импульсной помехи ее необходимо скомпенсировать и затем определить, присутствует ли полезный сигнал в принятой смеси. То есть порядок протекания сигналов в предлагаемом изобретении определяется наличием импульсной помехи известной структуры в принимаемом сигнале. Такой порядок задается при помощи двух реле. Первое реле с переключающим контактом управляемой (выходной) цепи [7, п. 444-04-19]. При подаче сигнала (входного напряжения) на управляющий вход (входную цепь) данного реле происходит переключение в управляемой цепи - замыкающая цепь переключающего контакта замыкается, а его размыкающая цепь размыкается. Второе реле с замыкающим контактом управляемой цепи [7, п. 444-04-17]. При подаче сигнала на его управляющий вход замыкается контакт управляемой цепи.
0
0
maxСФ
maxСФ
В заявляемом изобретении (фиг. 4) принятый сигнал поступает на связанные между собой общий контактный элемент переключающего контакта первого реле 5 (вход «1») и фильтр 1, согласованный с импульсной помехой, с последующим выделением вторым детектором 2 огибающей, которая поступает на первый вход «1» второго блока сравнения с порогом обнаружения (q) 3 для установления наличия импульсной помехи известной структуры в принятой аддитивной смеси. При действии на входе РЛС такой помехи огибающая с выхода второго детектора огибающей 2 (фиг. 3 - 1б) во втором блоке сравнения с порогом обнаружения 3 превышает значение (q), соответствующее заданному уровню ложных тревог в отсутствие сигнала и помех, поданного на второй вход данного блока. Поэтому с его выхода поступает сигнал (управляющий) на связанные между собой управляющие входы «2» первого реле 5 и второго реле 4. Это приведет к переключению между размыкающей (ее размыканию) и замыкающей (ее замыканию) цепями переключающего контакта первого реле 5 и замыканию контакта в управляемой цепи второго реле 4. То есть сигнал с выхода второго детектора огибающей 2 через управляемую цепь второго реле 4 поступает на детектор временнóго положения максимума сигнала 6, определяющего значение максимума (U) огибающей и момент времени его достижения (t).
Поскольку значение амплитуды и временнóго положение импульсной помехи известной структуры, входящей в состав принятой сигнальной смеси, являются случайными, необходимо установить их значение.
maxСФ
к
ИХ
к
Для определения амплитуды со второго выхода «II» детектора временнóго положения максимума сигнала 6 поступает значение U на блок вычисления амплитуды компенсирующего сигнала (U) 8. Вычисление осуществляется за счет того, что значение амплитуды импульсной характеристики (U) фильтра 3, согласованного с помехой, известна. Используя правило (свойство) свертки [4], получаем выражение для вычисления амплитуды компенсирующего сигнала (U) в блоке 8:
Рассчитанное таким образом значение поступает на блок формирования компенсирующего сигнала 9, чтобы задать требуемую амплитуду. Стоит отметить, что частота дискретизация формируемых в данном блоке компенсирующих сигналов должна совпадать с частотой дискретизации сигнала на входе устройства.
maxСФ
Для определения момента времени начала действия импульсной помехи в аддитивной смеси с первого выхода «I» детектора временнóго положения максимума сигнала 6 на вход блока вычисления длительности задержки 7 поступает значение t. Учитывая то, что отклик на выходе согласованного фильтра достигает своего максимального значения за время, равное длительности поданного сигнала, можно вычислить момент начала действия импульсной помехи - ее временнóго положение в смеси:
п
где τ - значение длительности импульсной помехи известной структуры.
пост
нач
0
0
Приняв момент поступления аддитивной сигнальной смеси на устройство t = 0, полученное значение (t) определяет (задает) величину времени задержки программируемой (управляемой) линии задержки 11, поступая на ее второй (управляющий) вход «2». На первый вход «1» поступают компенсирующие сигналы с выхода блока формирования компенсирующего сигнала 9, проходя через цифровой фазовращатель 10 с шагом изменения начальной фазы сигнала (Δϕ), равным Δϕ = 360°/L, где L - число компенсирующих сигналов. Для корректной работы устройства L ≥ 10.
ск
В программируемой линии задержки 11 каждый компенсирующий сигнал «сдвигается» во времени на величину, рассчитанную блоком вычисления длительности задержки 7. Задержанные сигналы поступают на первый вход «1» вычитающего устройства 12 (каждый сигнал является вычитаемым), а на второй вход «2» через замкнутую замыкающую цепь переключающего контакта первого реле 5 (с выхода «II») подается принятая аддитивная сигнальная смесь (является уменьшаемым). Полученные разности формируются в массив скомпенсированных сигналов [u], который с первого выхода «I» вычитающего устройства 12 поступает на блок вычисления мощности сигналов 13, а со второго выхода «II» - на второй вход «2» блока выбора сигнала с минимальной мощностью 14. В данном блоке по критерию (3) выбирается скомпенсированный сигнал:
ск
ск
ск_l
ск
ск
где u - скомпенсированный сигнал минимальной мощности, выбранный из поступившего с вычитающего устройства массива [u]; u - l-ый сигнал массива [u]. Выбор скомпенсированного сигнала осуществляется за счет сопоставления минимального значения мощности, полученного из значений, рассчитанных блоком вычисления мощности сигналов 13, с соответствующим сигналом из массива [u].
ск
Выбранный по критерию (3) сигнал u поступает на связанные между собой вход фильтра 1, согласованного с импульсной помехой, и общий контактный элемент переключающего контакта первого реле 5 (вход «1»). Если сигнал на входе второго блока сравнения с порогом обнаружения 3 превысит порог, то есть в изначально принятой аддитивной смеси присутствовало несколько импульсных помеховых сигналов известной структуры, как в рассматриваемом для примера случае (фиг. 2 и 3), процесс компенсации будет повторяться до тех пор, пока все помеховые сигналы известной структуры не будут скомпенсированы (фиг. 3 - 4а).
0
После этого, или если в изначально принятой смеси сигналов отсутствует импульсная помеха известного вида, c выхода второго блока сравнения с порогом обнаружения 3 не поступит управляющий сигнал на первое реле 5 и второе реле 4, поэтому сигнал через замкнутую размыкающую цепь переключающего контакта первого реле 5 (вход «1», выход «I») поступит на цепь последовательно соединенных фильтра 15, согласованного с полезным сигналом, первого детектора огибающей 16 (фиг. 3 - 4в). Выделенная огибающая попадет на первый вход «1» первого блока сравнения со значением порога обнаружения (q) 17, подаваемое на его второй вход «2». Данный блок служит решающим устройством в процессе обнаружения полезного сигнала, а его выход является выходом изобретения.
Незначительный «остаток» импульсной помехи известной структуры (фиг. 3 - 4б) после осуществленной компенсации объясняется декорреляцией этой помехи, вызванной:
- некоторым расхождением начальных фаз компенсируемого и компенсирующего сигналов, связанным с дискретностью величины Δϕ;
maxСФ
- несущественной погрешностью определения времени t (2), зависящей от периода высокой частоты импульсной помехи с известной структурой [8];
- наличием доплеровской добавки частоты в принятой импульсной помехе известного вида, вследствие ее возможного переотражения от движущихся объектов.
Таким образом, вне зависимости от наличия импульсной помехи известного вида, ее временнóго положения и уровня мощности на входе приемного устройства РЛС произойдет правильное обнаружение (необнаружение) полезного сигнала, что обусловливает достижение заявляемого технического результата.
Предложенное техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестны устройства, позволяющие обеспечить правильное обнаружение и правильное необнаружение полезного сигнала на фоне импульсной помехи, действующей с ним на одной частоте и перекрывающей его по мощности, времени и амплитуде.
Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы стандартное оборудование, приспособления и материалы широко распространенной технологии. Устройство может быть технически реализовано при цифровой обработке сигналов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Папалекси Н.Д. Радиопомехи и борьба с ними. - М.: Гостехиздат, 1942. - 116 с.
2. Защита от радиопомех. Под ред. М.В. Максимова. - М.: Сов. Радио, 1976. - 496 с.
3. Адаптивная компенсация помех в каналах связи. Под ред. Ю.И. Лосева. - М.: Радио и связь, 1988. - 208 с.
4. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д. Ширмана. Учебное пособие для вузов. - М.: Сов. Радио, 1970. - 560 с.
5. Способ защиты радиолокационной станции от импульсных помех и устройство для его реализации. Патент RU № 2494412 C2, G01S 7/36, бюллетень № 27 от 27.09.2013 г.
6. Лаврентьев А.М., Литвинов Н.Н. Оценка маскирующих свойств широкополосных радиосигналов // Успехи современной радиоэлектроники. - 2018. - № 5. - С. 54-57.
7. Межгосударственный стандарт ГОСТ IEC 60050-444-2014. Международный электротехнический словарь. Часть 444. Элементарные реле (IEC 60050-444:2002, IDT). Введен в действие с 1 октября 2015 г. - М.: Стандартинформ, 2015.
8. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. Учебник для вузов. - М.: Сов. радио, 1973. - 496 с.