ОБНАРУЖИТЕЛЬ РАДИОИМПУЛЬСОВ
RADIO PULSE DETECTOR

Предлагаемый обнаружитель относится к радиотехнике и может быть использован в приемных каналах РЛС.
Известны обнаружители радиоимпульсов, решающие задачу обнаружения сигналов на фоне помех (шумов).
Так, описанный в книге М. Скольника "Введение в технику радиолокационных систем", "Мир", М., 1965, УДК 621.396.96, стр.509,  обнаружитель осуществляет непрерывное сравнение текущего значения смеси сигналов и помех с некоторым пороговым уровнем.
Недостатком такого обнаружителя, особенно при его реализации в каналах автоматической обработки информации, является то, что один длинный (по уровню порога обнаружения) импульс дает информацию о наличии нескольких целей в смежных элементах разрешения по дальности, так как считается, что цель имеется во всех элементах дальности, где в соответствующие им моменты времени превышен пороговый уровень.
Известен также обнаружитель (Пунгин Н.А. К вопросу о потерях при накоплении за счет временного квантования, Известия Ленинградского электротехнического института имени В.И. Ульянова (Ленина), вып.84, Л., 1969, стр.109, пункт 4), в котором с пороговым уровнем сравниваются не все текущие значения входной смеси, а только значения, соответствующие максимумам огибающей смеси. Этот обнаружитель принят нами за прототип.
Он содержит соединенные между собой последовательно детектор, ограничитель снизу, выделитель максимума, пороговый узел и формирователь видеоимпульсов.
При использовании в аппаратуре цифровой обработки сигналов РЛС обнаружителей, описанных на стр.509 книги М. Сколника, осуществляется временная дискретизация сигналов, дальность разбивается на участки, величина которых примерно равна разрешающей способности РЛС по дальности, и производится независимое обнаружение сигналов в каждом участке дальности путем сравнения уровня входной смеси с пороговым. Если сигнал попадает одновременно на два смежных участка дальности и имеет достаточно большой уровень, то он может превысить порог на обоих участках, аппаратура обработки зафиксирует наличие двух целей, что является недостаткам.
Устройство-прототип создано именно для устранения этого недостатка, исключения возникновения импульса помехи. Так как даже мощный сигнал, попадавший частично в два участка дальности, имеет один максимум огибающей, то, находя этот максимум и сравнивая его с пороговым уровнем, получаем только одну цель, а появление мешающих импульсов, "размножение" целей, исключается. Ограничитель снизу здесь служит для того, чтобы разгрузить цепи нахождения максимумов от операций нахождения максимумов импульсов заведомо малой амплитуды.
На вооружении авиации США (см. Модели радиоэлектронного противодействия авиации вероятного противника, имеется много типов станций импульсных помех: AN/ALQ-19, AN/ALQ-32, "Гренджер", AN/ALQ-41, AN/ALQ-51, AN/ALQ-15, AN/ALQ-35 и др.
Станции могут создавать имитирующие помехи для каналов автосопровождения (уводящие по дальности и по угловым координатам), и маскирующие помехи для каналов обнаружения. В виде маскирующих помех используют синхронные многократные ответные помехи (МОП) и хаотические импульсные помехи.
Наведение помех как в станциях, создающих помехи каналам автосопровождения (AN/ALQ-41, AN/ALQ-51 и др.) так и в станциях, создающих МОП (AN/ALQ-15, AN/ALQ-35 и др.) имеет среднеквадратическую ошибку по несущей частоте, равную 2 МГц. Распределение ошибки является нормальным, с нулевым средним значением.
c
п
Для оценки помехоустойчивости известного обнаружителя примем длительность полезного сигнала τ=0,2 мксек, полосу пропускания УПЧ 4 МГц, форму амплитудно-частотной характеристики УПЧ прямоугольной. Импульсы помехи примем прямоугольными с длительностью τ=0,4 мксек, с нефлюктуирующим уровнем, превышающим порог обнаружения на 6; 12; 18 дБ.
п
п
п
Зависимость ослабления помехи при таких условиях определяется кривой 3 графика рис.10.15 книги В.И. Тихонова «Статистическая радиотехника», "Сов. радио", М., 1966, стр.435. Для указанных уровней помехи порог обнаружителя соответствует ρ=0,4; 0,2; 0,1. Из графика следует, что импульсы помехи превысят порог обнаружения и дадут ложную тревогу в тех случаях, когда расстройка их несущей частоты относительно несущей частоты сигнала будет менее чем 0,8/τ; 1,8/τ; 3/τ, т.е. 2; 4,5; 7,5 МГц соответственно. Вероятность этих событий найдем, используя таблицу интеграла вероятности (там же, стр.666).
Указанные границы расстроек соответствуют Z=1; 2,25; 3,75. Вероятность превышения помехой порога при этом равна 0,68; 0,976; 0,9998.
Из этого следует, что известный обнаружитель сигналов от импульсных помех не защищен, вероятность прохождения помехи на выход блока при реальных уровнях помехи близка к единице. Избирательность по частоте предшествующего усилителя промежуточной частоты и согласованного фильтра, как следует из полученных результатов, дает некоторый эффект только при малых уровнях помехи. При больших уровнях помехи даже ослабленная из-за ошибки наведения по частоте помеха создает в полосе пропускания приемника сигнал, достаточный для преодоления порога. Поэтому для обеспечения помехоустойчивости работы аппаратуры необходимы дополнительные меры по подавлению помех.
Если помехи хаотические (ХИП), то их можно в дальнейшем с определенным успехом подавлять путем известных методов череспериодного перемножения и т.п. (Теоретические основы радиолокации, под ред. Я.Д. Ширмана, "Сов. радио", М., 1970, рис.7.53).
Однако все эти методы дополнительной обработки требуют для совместной обработки сигналов нескольких периодов повторения РЛС, что не всегда желательно, приводят к некоторому ухудшению сигнал/собственный шум приемника. Они принципиально не могут обеспечить подавление синхронных импульсных помех (МОП и др.).
Введение ограничителей амплитуды, например, в виде блока ШОУ (И.С. Гоноровский, Радиотехнические цели и сигналы, "Сов. радио", М., 1971, §16.12), в ряде случаев позволяет подавить импульсные помехи. Однако они создают нелинейность амплитудной характеристики, что недопустимо в режимах измерения угловых координат и т.п. Блоки ШОУ работают эффективно только в тех случаях, когда длительность помехи значительно меньше длительности полезного сигнала, если же их длительности отличаются мало, то помеха проходит через устройство так же, как и полезный сигнал, выигрыша в помехоустойчивости нет (там же, стр.623, 624).
Таким образом, известный обнаружитель радиоимпульсов не обладает устойчивостью к импульсным помехам. Введение в приемный канал известных дополнительных блоков подавления помех не решает задачи полностью, но одновременно с повышением помехоустойчивости ухудшает некоторые другие характеристики приемника (линейность амплитудной характеристики, чувствительность, и др.). Но основным является здесь то, что не подавляются синхронные помехи (частота повторения которых равна или кратна частоте повторения зондирующих импульсов РЛС), длительность импульсов которых близка к длительности зондирующих импульсов РЛС.
Целью настоящего изобретения является повышение помехоустойчивости обнаружителя радиоимпульсов.
Поставленная цель достигается тем, что в обнаружитель радиоимпульсов, содержащий последовательно соединенные детектор, ограничитель снизу, выделитель максимума, пороговый узел и формирователь видеоимпульсов, вводятся узел совпадения и последовательно соединенные стробирующий узел, сигнальный вход которого соединен с входом детектора, а управляющий - с выходом формирователя видеоимпульсов, ограничитель сверху, полосовой фильтр с выделением огибающей и второй пороговый узел, выход которого соединяется с одним из входов узла совпадения, второй вход которого соединяется с выходом формирователя видеоимпульсов.
Введенные стробирующий узел, ограничитель сверху, полосовой фильтр с выделением огибающей и связи сигнального входа стробирующего узла со входом радиочастотных сигналов устройства, а управляющего - с выходом формирователя видеоимпульсов, и использование именно указанных ограничительных признаков устройства позволили выделить сигнал, характеризующий мгновенную частоту (частоту наполнения одиночного радиоимпульса) в моменты максимальных значений огибающей входного сигнала.
Совместно с дополнительным пороговым узлом, задающим пределы возможных изменений мгновенной частоты полезного сигнала, и с узлом совпадения эти конструктивные признаки позволили для различения сигнала от помех использовать совместно с амплитудным признаком признак соответствия допуску мгновенной частоты одиночных радиоимпульсов в моменты, соответствующие максимумам огибающей входной смеси сигналов с помехами.
На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого обнаружителя.
На фиг.2 представлены амплитудно-частотные характеристики УПЧ (а) и полосового фильтра (б).
На фиг.3 представлены временные диаграммы процессов прохождения сигналов и помех через блоки предлагаемого устройства.
Предлагаемый обнаружитель содержит, соединенные между собой последовательно детектор 1, ограничитель снизу 2, выделитель максимума 3, пороговый узел 4, формирователь видеоимпульсов 5, узел задержки 6, узел совпадения 7, а также соединенные между собой последовательно узел задержки 8, стробирующий узел 9, ограничитель сверху 10, полосовой фильтр 11 с выделителем огибающей, пороговый узел 12. Вход узла задержки 8 соединен с входом детектора 1, выход порогового узла 12 - со вторым входом узла совпадения 7.
Полосовой фильтр 11 содержит две дисперсионные ультразвуковые линии задержки (ДУЛЗ) 13, 14, входы которых соединены между собой и являются входом полосового фильтра 11; два детектора 15, 16 выходных сигналов ДУЛЗ 13, 14; вычитатель 17 и сумматор 18 выходных сигналов детекторов 15, 16; вычислитель модуля 19, вход которого соединен с выходом вычитателя 17; делитель напряжения 20, вход которого соединен с выходом сумматора 18; сумматор 21, один вход которого соединен с выходом вычислителя модуля 19, а другой - с выходом делителя напряжения 20; вычислитель отношения 22, вход делимого которого соединен с выходом сумматора 18, а вход делителя - с выходом сумматора 21, и фильтр нижних частот (ФНЧ) 23, вход которого соединен с выходом вычислителя отношения 22, а выход является выходом полосового фильтра 11.
Детектор 1 - обычный амплитудный детектор. Ограничитель снизу 2 - диод, направление включения которого совпадает с полярностью выходного сигнала детектора 1, но на него подано запирающее его напряжение, равное удвоенному среднеквадратическому напряжению шума.
Выделитель максимума 3 - дифференцирующий элемент, определяющий момент изменения знака производной от огибающей сигнала и только в этот момент подающий свое входное текущее значение огибающей на пороговый узел 4. Пороговый узел 4 имеет уровень порога, равный удвоенному среднеквадратическому значению шума на входе обнаружителя.
Формирователь видеоимпульсов 5 - кипп-реле. При каждом запуске со стороны порогового узла 4 он выдает на выходе один импульс прямоугольной формы длительностью 0,5 мксек и амплитудой 3 вольта.
Узел задержки 6 - низкочастотная линия задержки на 0,5 мксек. Узел совпадения 7 - стандартная микросхема, осуществляющая логическую операцию "И".
Узел задержки 8 - линия задержки сигналов промежуточной частоты со средней частотой полосы пропускания 30 МГц, полосой пропускания 5 МГц, задержкой 0,25 мксек. Стробирующий узел 9 - диодный мостовой коммутатор сигналов промежуточной частоты, пропускает сигналы только во время существования стробирующего импульса, поступающего с формирователя видеоимпульсов 5.
Ограничитель сверху 10 - двусторонний симметричный диодный ограничитель сигналов промежуточной частоты.
Дисперсионные линии задержки 13, 14 имеют среднюю частоту полосы пропускания 30 МГц, полосы пропускания 8 МГц, наклоны дисперсионных характеристик +16 мксек/МГц и -16 мксек/МГц соответственно. Максимальная величина задержки в каждой из этих линий равна 0,5 мксек. Детекторы 15, 16 - амплитудные, диодные. Сумматоры 18, 21 и вычитатель 17 - равновесные. Делитель напряжения 20 резистивный делитель с соотношением A=10. Фильтр нижних частот 23 имеет полосу пропускания 2 МГц. Вычислитель модуля 19 выполнен в виде дифференциального усилителя, входы которого соединены с выходом вычитателя 17 через диоды, включенные в различном направлении. Узел задержки 16 - низкочастотная многоотводная линия задержки, величина задержки 0,5 мксек.
Работает предлагаемый обнаружитель следующим образом.
Детектор 1 выделяет огибающую смеси сигналов с помехами, поступающей на вход устройства. Выделитель максимума 3 выделяет максимальные значения огибающей и только их подает на пороговый узел 4. При превышении этого порога в узел 5 происходит формирование прямоугольного видеоимпульса длительностью 0,5 мксек, соответствующей длительности полезного сигнала. Ограничитель снизу 2 отсекает сигналы, уровни которых заведомо малы по сравнению с порогом в узле 4, и тем самым разгружает выделитель максимума 3 от ненужных операций. Видеоимпульс с выхода узла 5 формирует в стробирующем узле 9 радиоимпульс, частота наполнения которого является частотой наполнения входной смеси сигналов с помехами. Узел задержки 8 задерживает входную смесь так, чтобы стробирующий видеоимпульс расположился симметрично относительно точки максимума огибающей, при этом частота наполнения сформированного в узле 9 радиоимпульса будет точно соответствовать мгновенной частоте смеси в точке максимума. Ограничитель сверху 10 устраняет влияние амплитуды сигналов на точность последующего определения мгновенной частоты.
В полосовом фильтре 11 производится узкополосная фильтрация радиоимпульсов с выделением огибающей сигнала. Принцип узкополосной фильтрации радиоимпульсов заключается в следующем. Поступающий на вход полосового фильтра радиоимпульс (без внутриимпульсной модуляции) подается на входы двух дисперсионных линий задержки, отличающихся друг от друга только знаком дисперсии. Максимальная задержка в линии приближенно равна длительности входного радиоимпульса. На выходе этих дисперсионных линий задержки при воздействии входного радиоимпульса появятся также радиоимпульсы, причем на средней (промежуточной) частоте огибающие этих выходных радиоимпульсов строго одинаковы, при появлении же расстройки появляются различия в огибающих (в основном сдвиг их в разные стороны).
Выделив огибающие детекторами 15, 16 и вычитая полученные видеоимпульсы, мы получаем нуль на промежуточной частоте и монотонное увеличение разности при увеличении расстройки в любую сторону. Разделив суммарный сигнал видеоимпульсов на модуль их разности, мы получаем избирательную амплитудно-частотную характеристику с максимумом на номинальной промежуточной частоте. Полоса пропускания задается делителем напряжения 20, выходные сигналы которого суммируются с модулем разности сигналов перед вычислением отношения в блоке 22. Фильтр нижних частот сглаживает пульсации уровня, образующиеся на импульсах в процессе обработки. Длительность выходного импульса ФНЧ составляет 0,6÷1 мксек.
Амплитудно-частотные характеристики УПЧ, с которого на обнаружитель поступают сигналы, и полосового фильтра 11 приведены на фиг.2,а и фиг.2,б соответственно. Пороговый уровень узла 12 показан на фиг.2,б штрихпунктирной линией. Полоса пропускания фильтра 11 по уровню порога в узле 12 установлена 40 кГц.
Прохождение сигналов и помех через предлагаемый обнаружитель показано на фиг.3. На фиг.3,а показана огибающая смеси сигналов и помех на входе устройства (сигнал на выходе детектора 1). Горизонтальная пунктирная линия показывает уровень ограничения снизу в узле 2, на фиг.3,б - сигналы на выходе этого узла. На фиг.3,в пунктиром показаны сформированные в узле 5 видеоимпульсы. Передний фронт каждого импульса совпадает с максимумом сигнала на выходе узла 2. Задержка входного сигнала в узле задержки 8 обеспечивает совмещение максимума огибающей с центром стробирующего импульса. Это условно показано на фиг.3,в путем сдвига прямоугольного импульса (сплошная линия).
На фиг.3,г показаны радиоимпульсы, сформированные в стробирующем узле 9 выходными видеоимпульсами узла 5 из задержанной в узле 8 входной смеси сигналов и помех.
На фиг.3,а и 3,б показаны 3 импульса, превышающие порог. Первый из них считаем сигналом от цели, частота наполнения его лежит в пределах полосы пропускания фильтра 11.
Второй и третий импульсы считаем помехами. При прохождении импульса от цели через полосовой фильтр 11 и пороговый узел 12 образуется видеоимпульс (фиг.3,д), наличие которого подтверждает, что частота наполнения радиоимпульса является нормальной для полезных сигналов. Узел задержки 6 уравнивает задержки соответствующих друг другу сигналов, поступающих на входы узла совпадения 7, что необходимо для его нормальной работы.
Таким образом, сигнал на выходе обнаружителя (фиг.3,е) будет только в том случае, когда входной сигнал имеет не только амплитуду, превышающую порог в узле 4, но и имеет мгновенную частоту, соответствующую нормальным допплеровским сдвигам частоты полезного сигнала.
Полезные сигналы от целей будут проходить на выход обнаружителя при тех же уровнях, что и в известном обнаружителе.
п.ч
Описанные же выше помехи будут проходить на выход обнаружителя только в тех случаях, когда они имеют не только большую амплитуду, но и их частота наполнения попадет в полосу пропускания фильтра 11 (в полосу f ±20 кГц).
п.ч
Вероятность этого определим для указанных выше характеристик помех также по таблице интеграла вероятности (книга В.И. Тихонова, стр.666). При среднеквадратической ошибке по частоте σ=2 МГц и полосе фильтра 11, равной 40 кГц (f ±20 кГц), величина Z будет равна 20 кГц : 2 МГц = 0,01. Вероятность попадания мгновенной частоты помехи в полосу пропускания, составит 0,008.
Так как вероятность прохождения импульса помехи на выход в известном обнаружителе составляет для рассмотренных выше условий 0,68; 0,976; 0,9998, а в предлагаемом для всех трех случаев 0,008, то выигрыш в помехоустойчивости, характеризуемой вероятностью прохождения помехи на выход обнаружителя, оценивается как отношение вероятностей и составляет, соответственно, 85, 122 и 124.
Следует подчеркнуть, что в предлагаемом обнаружителе подавляются и такие импульсы помехи, которые в известной аппаратуре обычно не могут быть подавлены, например, последовательности синхронных импульсов, форма огибающей и закон внутриимпульсной модуляции которых близки к таковым у сигналов РЛС. Нужно только, чтобы была хотя бы небольшая погрешность в установке несущей частоты помехи, а такая погрешность, как указывается в литературе, имеет место в реальных станциях помех.