УСТРОЙСТВО ПОВЫШЕНИЯ УГЛОВОГО РАЗРЕШЕНИЯ АМПЛИТУДНОЙ СУММАРНО-РАЗНОСТНОЙ МОНОИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ

Предлагаемая полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в моноимпульсных радиолокационных системах с фазированной антенной решеткой, осуществляющих поиск и сопровождение по угловым координатам радиолокационных объектов в условиях воздействия преднамеренных шумовых помех.
Данное устройство позволяет повысить угловую разрешающую способность амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы.
Известно [1], что решение задачи разрешения по угловой координате двух равноудаленных объектов может рассматриваться как процедура обнаружения одного из них в условиях мешающего влияния другого. При этом разрешающая способность пеленгатора может быть определена как минимальный угол между направлениями на мешающий и обнаруживаемый с требуемыми показателями качества объект.
0,5p
0,5р
Для пеленгатора рассматриваемого типа угловую разрешающую способность принято характеризовать значением примерно равным 1,5·θ [2]. Здесь θ - ширина диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности.
Использование устройства, предлагаемого в данной работе в составе типовой обзорной моноимпульсной радиолокационной станции (РЛС), при пеленговании источника импульсного сигнала на фоне интенсивной шумовой помехи по главному лепестку диаграммы направленности антенны может обеспечить существенное повышение углового разрешения. В частности, при условии, когда разность угловых координат источников составляет доли ширины луча, а интенсивность помехи на 10-20дБ превышает интенсивность полезного сигнала, обнаружение его на фоне помехи возможно с достаточной достоверностью и надежностью.
Это означает возможность оценки дальности до прикрываемой помехой цели с точностью до элемента разрешения, а также оценку пеленга с погрешностью, зависящей от угловой базы группы «постановщик-цель» и интенсивности их излучений. При отношении сигнал-помеха (энергии сигнала к спектральной плотности мощности помехи) близком к единице предлагаемое устройство формирует двухпиковую функцию угловой координаты. Это позволяет с относительно высокой точностью (с погрешностью 0,1 и менее от ширины луча) оценить пеленги помехопостановщика и прикрываемой им цели.
Кроме того, в процессе обзора пространства при работе по одиночному источнику излучения (импульсного сигнала или непрерывной шумовой помехи) обеспечивается значительное уменьшение длительности огибающей по угловой координате принятого колебания, что создает условия для существенного повышения точности пеленга и в этом случае.
Технический эффект в предлагаемом устройстве достигается за счет дополнительной функциональной обработки выходных сигналов приемника. Он получен путем использования информации, содержащейся в значении отношения комплексных амплитуд суммарного и разностного сигналов, в частности, величины обратной нормированному разностному сигналу (нормированному сигналу угловой ошибки), формируемому моноимпульсным пеленгатором.
Как показали результаты имитационного моделирования, более высокими показателями качества решения задачи по повышению углового разрешения обладает устройство, которое вычисляет нормированное значение огибающей не суммарного сигнала, а квадратурной (относительно сигнала суммарного канала) составляющей разностного сигнала. Нормировка данного сигнала осуществляется путем выполнения операции деления, т.е. вычисления частного от деления значений дискретных отсчетов квадратурной угловой ошибки на дисперсию сигнала разностного канала.
Реализация предлагаемой полезной модели не требует существенных конструктивных изменений в аппаратуре типового варианта обзорной моноимпульсной РЛС и сводится к введению в ее состав дополнительного устройства обработки, подключаемого к выходу приемных каналов суммы и разности, что не нарушает нормальной работы аппаратуры в штатном режиме.
В настоящее время известен ряд работ, посвященных анализу устройств, предназначенных для повышения угловой разрешающей способности по группе источников некогерентного излучения и использующих функциональную обработку сигналов. К их числу относится работа [3 с.165]. Принцип работы этого устройства основан на формировании оценок корреляционных и взаимных корреляционных функций сигналов, принимаемых многоканальной антенной, и последующем решении систем уравнений, описывающих эти функции.
Рассмотренные в данной работе варианты решения задачи носят общетеоретический характер и не учитывают многих особенностей их практической реализации. При этом наиболее существенным является то, что предлагаемое связано с необходимостью использования специальной (нетиповой) многоканальной антенной системы, что в случае практической реализации вызовет трудности в обеспечении идентичности и стабильности характеристик приемных каналов [2].
Применительно к группе источников когерентного излучения известны способ и структурная схема устройства повышения угловой разрешающей способности моноимпульсной РЛС с использованием принципа стробирования по угловой координате [2, с.109]. Основным элементом данного измерительного устройства, соответствующим одной плоскости пеленгации, является антенна с двумя рупорными облучателями, формирующими в пространстве две парциальные диаграммы направленности, которые возбуждаются одновременно соответствующими передатчиками, работающими на разнесенных частотах. Для приема отраженных сигналов использованы два приемника. Каждый из них построен по типовой двухканальной (соответственно для суммарного и разностного сигналов) схеме. Благодаря частотному разносу, фазовые детекторы приемных каналов формируют независимые напряжения сигнала угловой ошибки, которые содержат информацию об угловом положении групповой цели. С помощью специально вводимого суммарно-разностного устройства осуществляется формирование результирующего напряжения угловых ошибок. Нулевой сигнал ошибки служит критерием для решения о присутствии в контролируемом пространстве одиночной цели. При наличии в неразрешаемом объеме пространства двух целей равенство нулю сигнала на выходе системы становится невыполнимым. Это является признаком наличия в зоне пеленгования групповой цели [2]. Принятие решения о характере цели осуществляется оператором на основе анализа флюктуации сигнала ошибки, наблюдаемых на экране осциллографа.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции (необходимость введения в РЛС дополнительного канала приемо-передающей аппаратуры), отсутствие четкого количественного критерия обнаружения, а также субъективность оператора в принятии решения. Кроме того, система работоспособна только в следящем режиме, при условии точного совмещения оптической оси антенны с энергетическим центром отслеживаемой цели.
Наиболее близким по характеру решаемой задачи и принципу функционирования является устройство, предложенное в работе [4]. Рассмотренный в ней вариант решения позволяет пеленгатору следящего типа обеспечить обнаружение импульсного сигнала на фоне шумовой помехи и с точностью до элемента разрешения оценить дальность до его источника. Что касается угловой координаты, то она при использовании этого устройства приближенно может быть принята равной оценке пеленга постановщика помехи.
Основной целью предлагаемой полезной модели является повышение угловой разрешающей способности амплитудной суммарно-разностной обзорной моноимпульсной системы, обеспечивающей в условиях действия шумовой помехи обнаружение импульсного сигнала при условии, когда угловое положение его источника относительно источника помехи составляет доли ширины луча антенны. При этом с точностью до элемента разрешения будет обеспечено получение оценки дальности до источника сигнала, а при определенных условиях и оценки его пеленга. В конечном итоге это позволит РЛС с помощью предлагаемого устройства обеспечить большую объективность в оценке воздушной и помеховой обстановки.
Поставленная цель достигается тем, что в приемное устройство типовой амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы (см., например, в [2, с.75]), дополнительно введено специализированное вычислительное устройство, в состав которого включены процессор обработки сигналов и устройство принятия решения (фиг.1). На входы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) приемного устройства типовой амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы поступают радиочастотные сигналы с выходов усилителей промежуточной частоты (УПЧ) каналов суммы и разности антенны. АЦП осуществляет преобразование входных сигналов в соответствующие цифровые двоичные коды, которые затем используются в предлагаемом вычислительном устройстве согласно разработанному алгоритму.
Структурная схема аналогово-цифрового варианта устройства, поясняющая алгоритм работы спецвычислителя, показана на фиг.1.
Его состав содержит устройство перемножения (1), квадратичный амплитудный детектор (2), делительное устройство (3), фильтр нижних частот (4), устройство вычисления модуля (5), устройство дискретизации сигнала (6), некогерентный накопитель (7), буферное запоминающее устройство (8), устройство принятия решения (9).
Устройство работает следующим образом.
д
Предположим, что рассматриваемая РЛС в качестве зондирующего использует сигнал, соответствующий модели одиночного прямоугольного радиоимпульса. РЛС путем перемещения луча антенны осуществляет по угловой координате линейный обзор пространства. В секторе обзора под прикрытием непрерывной шумовой помехи находится не наблюдаемый, но подлежащий обнаружению, источник импульсного эхо-сигнала. Полагается, что по результатам обзора, реализуемого в штатном режиме, определен пеленг источника помехи. Тогда для обнаружения источника импульсного сигнала используется предлагаемое устройство. С этой целью луч антенны в секторе, биссектриса которого соответствует пеленгу источника помехи, скачкообразно перемещается с дискретностью ∆θ.
д
д
0,5p
0,5p
обз
0,5р
∗
∗
Величина угловой дискреты ∆θ выбирается из условия ∆θ≤θ  где θ  угловой размер главного лепестка пеленгационного рельефа, полученного с помощью рассматриваемого устройства в случае одиночного источника помехи. Размер сектора ∆θ целесообразно выбрать равным (1-1,5)-θ, т.е. равным угловому размеру импульсного объема РЛС.
0пч
0пч
В процессе обзора пространства формируемые приемным устройством РЛС аналоговые радиочастотные сигналы (на частоте f, где f - среднее значение частоты полосы пропускания приемника на промежуточной частоте) суммы  и разности  поступают на входы рассматриваемого устройства (фиг.1). Входной сигнал канала суммы в качестве опорного поступает на устройство перемножения (1), на второй (основной) вход которого подается сигнал разностного канала . Перемножитель (1) формирует оценку текущего мгновенного значения сигнала разностного канала (мгновенного значения угловой ошибки). Эта оценка в качестве делимого поступает на первый вход делительного устройства (3). В качестве делителя используется оценка квадрата текущего значения сигнала разности, снимаемая с выхода квадратичного амплитудного детектора (2). Этот сигнал поступает на второй вход делительного устройства (3). Фильтр нижних частот (4) обеспечивает согласованную фильтрацию результата деления, т.е. выделения низкочастотных флюктуации полученного колебания, соответствующих спектру полезного сигнала, а также подавление высокочастотных составляющих спектра. Выходной низкочастотный сигнал фильтра представляет собой непрерывный случайный процесс. Среднее значение его огибающей является оценкой угловой ошибки, отнормированной к величине среднего квадратического значения сигнала разностного канала. В то же время, среднее значение огибающей выходных флюктуации фильтра является обратной величиной оценки угловой ошибки, формируемой пеленгатором.
д
и
и
Устройством вычисления модуля (5) выходной сигнал фильтра преобразуется в однополярное напряжение, которое в устройстве (6) преобразуется в цифровой сигнал (подвергается временной дискретизации и квантованию по уровню). Период временной дискретизации ∆t выбран как минимум на порядок меньшим длительности полезного импульсного сигнала τ. В некогерентном накопителе (7) по результатам каждого зондирования на интервале времени равном длительности импульса τ по совокупности дискретных отсчетов формируется оценка среднего значения нормированной угловой ошибки α. Эти оценки по каждой ячейке дальности записываются в память буферного запоминающего устройства (8).
обз
0,5p
Некогерентный накопитель (7) совместно с буферным запоминающим устройством (8) за время прямого хода луча антенны РЛС по совокупности результатов из N зондирований в каждом фиксированном угловом направлении контролируемого сектора обзора ∆θ=θ осуществляет по всем элементам разрешения по дальности формирование средних статистических значений оценок нормированной угловой ошибки, т.е. , где М[α] - математическое ожидание α. В результате этого в буферном запоминающем устройстве (8) формируется зона памяти, которую можно рассматривать как двумерную совокупность ячеек, соответствующих участку зоны обзора (фиг.2). В ячейках этой зоны содержится информация, характеризующая в координатах «угол-дальность» оценки среднего значения нормированной угловой ошибки  или двумерный пеленгационный рельеф пространства в пределах сектора обзора. При этом процесс записи информации организован так, что каждому фиксированному угловому положению луча антенны соответствует свой столбец зоны памяти. В ячейки этого столбца по результатам зондирования в данном направлении записываются оценки  для каждого элемента разрешения по дальности.
Таким образом, каждому угловому направлению в буферном запоминающем устройстве (8) соответствует свой столбец зоны памяти. Тогда в ячейках одной строки для фиксированной зоны разрешения по дальности оказываются записанными отсчеты рельефа по всем угловым направлениям просматриваемого сектора.
Для принятия решения о наличии или отсутствии в контролируемом пространстве маскируемого помехой источника эхо-сигнала информация с буферного запоминающего устройства (8) поступает на устройство принятия решения (9).
При цифровой обработке сигналов процедура принятия решения в устройстве принятия решения (9) может быть организована следующим образом.
Устройство принятия решения (9) последовательно реализует. двухэтапное сравнение поступившей из некогерентного накопителя информации с соответствующим пороговым уровнем.
На первом этапе осуществляется считывание информации из буферного запоминающего устройства (8). Считывание при этом проводится по строкам зоны памяти буферного запоминающего устройства (8), т.е. для каждой ячейки дальности формируется массив отсчетов по всем угловым элементам сектора. В процессе считывания элементы массива каждой строки нормируются к максимальному значению отсчета этой строки (). Затем массив нормированных отсчетов подвергается операции бинарного (однопорогового) квантования по уровню (амплитуде). Значение порогового уровня выбирается исходя из условий обеспечения наилучших показателей обнаружения. Допустим, это уровень -10дБ. При превышении этого уровня пороговое устройство выдает импульс стандартной амплитуды и длительности (единицу) или пропуск (ноль) в противном случае.
На втором этапе сравнения с порогом, учитывая пачечный характер сигнала на выходе каскада бинарного квантования (в виде последовательности единиц и нулей), процедура принятия решения сводится к оценке длительности пачки импульсов и сравнении ее с пороговым значением, соответствующим заданному значению ложной тревоги. В результате решения этой задачи согласно критерию Неймана-Пирсона принимается решение о наличии или отсутствии в анализируемой строке (элементе разрешения по времени) эхо-сигнала.
В простейшем случае при аналоговом варианте реализации устройство принятия решения может быть выполнено с использованием типового осциллографического индикатора с растровой разверткой луча и яркостной отметкой. Качественно вид экрана такого индикатора показан на фиг.3. Растровая развертка индикатора.«дальность-угол» («r-θ») формируется синхронно с опросом ячеек БЗУ. В частности, строчная развертка луча индикатора осуществляется синхронно с опросом ячеек соответствующей строки зоны памяти БЗУ (соответствующей конкретной зоне разрешения по дальности). Синхронизация кадровой развертки согласована с началом опроса всей зоны памяти БЗУ. Оператор РЛС по результатам сравнительного анализа усредненного значения углового размера полосы засветки помехи и размера отметки в конкретной зоне разрешения по дальности принимает решение о наличии или отсутствии в ней источника эхо-сигнала (цели).
В случае раздвоения отметки по угловой координате, что может иметь место в случае соизмеримых интенсивностей помехи и сигнала (фиг.4), возможна оценка пеленга источников излучения. В случае если отметка не разделяется, то наличие смещения ее центра «тяжести» относительно пеленга источника помехи характеризует относительное угловое положение источника эхо-сигнала.
Таким образом, устройство повышения углового разрешения амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы может быть изготовлено на известном оборудовании и известными промышленными средствами.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов. - М.: Сов. радио, 1974.
2. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1984. - 312 с., ил.
3. Царьков Н.М. Многоканальные радиолокационные измерители. - М.: Сов. радио, 1980, 192 с.
4. Пат. №102390 РФ. Устройство обнаружения импульсного эхо-сигнала в условиях воздействия шумовой помехи по главному лепестку диаграммы направленности антенны моноимпульсной РЛС./С.А.Кузьмин, A.M.Лаврентьев, Е.Е.Цубанов. Приоритет 23.08.2010 г.
5. Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации. М., «Сов. радио», 1974.