Обработка частотно-модулированных радиоимпульсов - раздел Образование, Радиолокационные системы
Особенности Обработки Частотно Модулированных (Чм) Сигналов Р...
Особенности обработки частотно модулированных (ЧМ) сигналов рассмотрим на примере обработки линейно-частотно-модулированных радиоимпульсов (ЛЧМ), широко используемых в современных РЛС.
| Рис. 6.4. Законы изменения мгновенной частоты ЛЧМ сигнала во времени и импульсной характеристики фильтра
|
Согласованная фильтровая обработка ЛЧМ-радиоимпульсов проводится с использованием дисперсионных фильтров, т. е. линейных систем, групповое запаздывание в которых зависит от частоты. Импульсная характеристика согласованного фильтра представляет собой ЛЧМ-колебание, зеркальное сигнальному. Если мгновенная частота сигнала со временем нарастает (рис. 6.4, штриховая линия), то мгновенная частота колебаний в импульсной характеристике убывает (рис. 6.4, сплошная линия), и наоборот.
Дисперсионная характеристика согласованного фильтра – зависимость группового запаздывания trp(f) в фильтре от частоты – определяется производной от фазочастотной характеристики фильтра. Нелинейность фазочастотной характеристики линейных сред, приводящую к зависимости группового запаздывания от частоты, в физике называют явлением дисперсии, что и определило термин «дисперсионная характеристика фильтра». Дисперсионная характеристика согласованного фильтра имеет вид:
, (6.1)
где – фазочастотная характеристика согласованного фильтра;
t0 – постоянная задержка в фильтре.
Для больших , когда , дисперсионная характеристика (6.1) для ЛЧМ-сигналов приобретает вид:
. (6.2)
Выражение (6.2) поясняет формирование импульсной характеристики согласованного с ЛЧМ-сигналом фильтра под воздействием дельта-функции. Группы гармонических составляющих дельта-функции более низких мгновенных частот задерживаются в фильтре на большее время и формируются на выходе позже, чем группы составляющих более высоких частот.
Дисперсионные фильтры используют не только при обработке, но и при формировании сигналов, осуществляемом под воздействием на них коротких радио - или видеоимпульсов.
Поясним механизм сжатия ЛЧМ-сигналов. Группы колебаний более низких мгновенных частот (штриховая линия на рис. 6.4) воздействуют раньше, но задерживаются на большее время. Группы колебаний более высоких частот воздействуют позже, но задерживаются на меньшее время. Это обеспечивает совмещение групп радиоимпульсов с различными несущими частотами. При их синфазном наложении в момент времени to формируется более короткий сжатый радиоимпульс. Условие наложения является необходимым условием синтеза фазочастотной характеристики фильтра в режиме согласования.
| Рис. 6.5. Ультразвуковые (акустические)
линии задержки
|
Аналоговые дисперсионные фильтры часто выполняются на основе акустических линий задержки с поверхностными или объемными волнами (рис. 6.5). Акустические линии позволяют получать приемлемые задержки при малых габаритах вследствие существенно меньшей скорости распространения механических колебаний по сравнению с электромагнитными. На основе использования поверхностных акустических (ультразвуковых) волн можно строить многоотводные линии задержки, обеспечивающие эффект искусствен-ной дисперсии, а на основе использования объемных волн – линии задержки с естественной дисперсией.
Фильтры сжатия с искусственной дисперсией на основе акустических линий задержки с поверхностными волнами (рис. 6.5,а). Звукопровод такой линии выполняют из пьезоэлектрического монокристалла, например из кварца, ниобата лития и т. д. На поверхность кристалла наносят проводящие металлические входные и выходные электроды, например, фотоспособом. Под воздействием входного напряжения между электродами создается переменное электрическое поле. Вследствие пьезоэлектрического эффекта вдоль поверхности электрода возбуждается акустическая волна. Под воздействием этой волны в соединенных между собой электродах из-за обратного пьезоэлектрического эффекта наводятся ЭДС и создаются токи в выходной нагрузке. Требуемая зависимость группового запаздывания от частоты обеспечивается путем расстановки электродов с интервалами, изменяющимися по закону, близкому к закону арифметической прогрессии. При возбуждении линии дельта-импульсом через частотно-неселективный электрод получают импульсную характеристику в виде набора коротких импульсов (в пределе дельта-импульсов), распределенных на длительности с интервалами при по закону арифметической прогрессии. Последовательность таких видеоимпульсов с неизменным периодом Tо =1/f0 свелась бы к наложению гармоник и постоянной составляющей. Последовательность видеоимпульсов с изменяющейся скважностью (рис. 6.5, б) позволяет получить совокупность ЛЧМ-колебаний с девиациями мгновенной частоты , где т=1, 2, … . Неравномерность ЛЧМ-сигналов по амплитуде устраняют путем вариаций длины электродов (аподизации): удлинения в местах разрежения и укорочения в местах сгущения отводов. Балансное построение фильтра (рис. 6.5, а, б), для которого четные гармоники отсутствуют, облегчает выделение нужной нечетной гармоники.
Многоотводные линии описанных конструкций позволяют реализовать фильтры сжатия импульсов с длительностями линейного участка дисперсионной характеристики от единиц до сотен микросекунд, с полосами частот от единиц до сотен мегагерц, с произведениями порядка десятков, сотен и даже тысяч.
Для уменьшения уровня боковых лепестков сжатых радиоимпульсов проводится скругление амплитудно-частотного спектра (весовое суммирование во времени). Для этого обеспечивают необходимое скругление амплитудно–частотной характеристики (АЧХ) фильтра, например за счет разновидности аподизации: уменьшения длины электродов, формирующих крайние мгновенные частоты. В целях скругления АЧХ фильтра используют даже многоэлементные входные и выходные электроды как самостоятельные корректирующие фильтры (каскады) с требуемой частотной зависимостью.
Применение такой несогласованной фильтрации приводит, очевидно, к потерям в отношении сигнал-шум по сравнению со значением 2E/N0 – максимальным отношением сигнал-шум на выходе согласованного фильтра. Кроме того, на выходе фильтра расширяется главный пик ЛЧМ-сигнала. Однако эти недостатки окупаются положительным фактором – снижением уровня боковых лепестков выходного сигнала по оси времени (дальности).
В качестве корректирующих могут быть использованы фильтры, АЧХ которых описываются функциями:
,
где а и b имеют различные значения. Наименьший уровень боковых лепестков для этого класса функций при b = 2 обеспечивается при a = 0,88 (фильтр Хэмминга). Если при согласованной фильтрации ЛЧМ-импульса уровень максимального бокового лепестка относительно главного составляет –13,2 дБ, то при использовании фильтра Хэмминга данный уровень равен – 42,8 дБ. При этом главный максимум расширяется примерно в 1,5 раза, а потери в отношении сигнал-шум составляют 1,34 дБ.
Существуют и другие способы подавления боковых лепестков выходного сигнала. Они сводятся к специальному подбору закона частотной модуляции, отличного от линейного, или формы огибающей зондирующего импульса.
Дисперсионные фильтры на поверхностных волнах отражательного типа содержат прорези, отражающие акустическую волну. Расстояния между прорезями выбираются по закону, близкому к закону арифметической прогрессии (рис. 6.5, в). Достоинством подобных фильтров считают менее жесткие допуски на точность выполнения.
Фильтры сжатия с естественной дисперсией на основе объемных волн в акустических волноводах (рис. 6.5, г) обеспечивают реализацию линейных участков дисперсии от десятых до десятков миллисекунд. Выполняются в виде металлических полосок (лент), толщина h которых соизмерима с длиной акустической волны в металле. Входной и выходной пъезоэлементы обеспечивают возбуждение и съем акустических волн, обычно продольных. Для снижения уровня паразитных отражений боковые торцы волновода покрывают поглотителем. Чтобы ослабить влияние нежелательных типов волн, способных распространяться в акустическом волноводе, используют частотную селекцию на его входе и выходе. Дисперсионная характеристика на рабочем типе волны имеет практически линейный участок. Его средняя частота f0 обратно пропорциональна толщине h, а временная протяженность пропорциональна длине волновода. Акустические фильтры волноводного типа в принципе проще многоотводных на поверхностных акустических волнах, но при реализуемых значениях h сравнительно узкополосные, их параметры поддерживаются менее жестко, чем параметры многоотводных фильтров.
Отметим также, что ЛЧМ-радиоимпульсы и совокупность одновременно излучаемых ЛЧМ радиоимпульсов с одинаковыми параметрами модуляции, но взаимно смещенные по частоте на одну и ту же величину , могут обрабатываться с помощью рециркуляторов со смещающим гетеродином.
Линейно-частотно-модулированный сигнал обладает важным достоинством: он единственный из сложных (широкополосных) радиолокационных сигналов, обеспечивающий одноканальную обработку не только по дальности, но и по радиальной скорости, если (что обычно выполняется). Поэтому устройство обработки оди
| Формирователь зондирующего импульса
|
| Рис. 6.6. Цифровой формирователь ЛЧМ-сигнала современной РЛС
|
ночных ЛЧМ-радиоимпульсов обычно состоит из одного согласованного (дисперсионного) фильтра и амплитудного детектора (детектора огибающей).
Если (что возможно, например, при обнаружении высокоскоростных целей в миллиметровом диапазоне длин волн), то устройство обработки ЛЧМ радиоимпульсов соответствует схеме, показанной на рис. 6.2. В этом случае согласованные фильтры (СФ) являются дисперсионными, а число каналов по скорости определяется формулой:
.
Корреляционно-фильтровая обработка ЛЧМ-сигналов имеет определенные особенности в зависимости от того, осуществляется полная или частичная фазочастотная демодуляция.
В настоящее время широкое применение получили цифровые методы как формирования сигналов на излучение, так и их обработка при приеме. Кроме того, цифровые методы позволяют получить когерентные ЛЧМ-сигналы и реализовать методы когерентной обработки. Примером формирователя ЛЧМ-сигнала может служить схема, представленная на рис 6.7.
Формирователь зондирующего импульса, представляющий собой цифровой синтезатор частот, обеспечивающий формирование линейно-частотно-модулированных сигналов (ЛЧМ) заданной длительности и полосы частот. Диапазон длительностей импульса и полосы частот достаточно широкий, во всяком случае превышает полученные на дисперсных фильтрах.
Преобразователем ПЧ1 и преобразователем СВЧ производится перенос частоты ЛЧМ-сигнала на первую промежуточную частоту и перенос частоты сигнала с первой промежуточной частоты на сверхвысокую частоту (частоту зондирующего сигнала). Усилителем производится усиление сигнала до уровня необходимого входного сигнала передатчика.
Синтезаторами ПЧ1 и СВЧ производится формирование когерентных гетеродинов ПЧ1 и СВЧ (Гт ПЧ1, Гт СВЧ).
Когерентным гетеродином производится формирование высокостабильных опорных сигналов для синтезаторов Гт ПЧ1 и Гт СВЧ, формирователя зондирующего импульса (центральная частота ЛЧМ-сигнала), сигнального процессора (формирование синхронизирующих импульсов, формирования тактовых импульсов для АЦП, формирование опорной частоты для когерентного детектора).
| Рис. 6.7. Типовая структурная схема процессора сигнальной обработки
с когерентным накоплением и фильтром сжатия
для когерентного ЛЧМ-сигнала
|
| Данные от навигационных систем
|
| Синхроимпульсы в устройства АРЛС
|
Сигнальная обработка подобного сигнала в приемнике РЛС производится цифровым сигнальным процессором. Структурная схема подобного процессора приведена на рис 6.7.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) осуществляет преобразование сигнала промежуточной частоты в цифровые отсчеты.
когерентном детекторе цифровые отсчеты сигнала промежуточной частоты перемножаются с квадратурными отсчетами, формируемые встроенным цифровым управляемым генератором, затем фильтруются встроенным фильтром низких частот.
Фильтром сжатия выполняется сжатие входного ЛЧМ-сигнала. Сжатие выполняется операцией свертки с импульсной характеристикой согласованного фильтра.
Компенсатор движения помехи (КДП) осуществляет сдвиг частоты входных сигналов на величину доплеровской поправки. Сдвиг частоты выполняется путем текущего поворота фаз квадратурных составляющих сигналов.
Фильтр СДЦ – трехкратный рекурсивный фильтр СДЦ с программно изменяемыми амплитудно-частотными характеристиками.
Коды сигналов с выхода процессора сигнальной обработки выдаются на когерентный накопитель (КН) и видеопроцессор (ВП).
Основные (типовые) технические характеристики подобного устройства, полученные на практике для типичной современной РЛС надводного наблюдения
| АЦП
|
| количество разрядов
|
|
| частота входного сигнала
| 30 МГц
|
| тактовая часто
| 40 МГц
|
| Фильтр сжатия
|
| тип модуляции сжимаемого сигнала
| ЛЧМ
|
| длительность сжимаемых сигналов
| 64 мкс, 128 мкс
|
| длительность сжатого сигнала
| 0,4 мкс (после весовой обработки
|
| уровень боковых лепестков сжатого cигнала
| 42 дБ
|
| Фильтр СДЦ
|
| тип фильтра
| перестраиваемый трехкратный рекурсивный фильтр
|
| управление перестройкой фильтра
| программное
|
Полная фазочастотная демодуляция. Если закон модуляции гетеродина полностью повторяет закон модуляции ожидаемого сигнала, то последующая обработка сводится к накоплению демодулированного сигнала в узкополосном фильтре (контуре) с импульсной характеристикой в виде немодулированного по фазе (частоте) колебания. Узкополосный фильтр выполняет роль накопителя (интегратора) на промежуточной частоте.
Рассмотрим случай полной демодуляции непрерывного ЛЧМ-сигнала с периодическим законом изменения частоты. Здесь предполагается, что сигнал с законом изменения частоты:
| Рис. 6.8. Корреляционно-фильтровая обработка непрерывного KXМ-сигнала с периодическим законом изменения частоты: а – закон изменения мгновенной частоты отраженного и гетеродинного колебаний; б – колебания разности частот , ; в – многоканальный спектроанализатор
|
излучается через частотно независимую несканирующую антенну. От целей приходят непрерывные отраженные сигналы
uc(
t) с законами изменения мгновенной частоты
fc(
t)=
f(
t–t3) (рис. 6.9, а, в).
Если t3 <<T, то в качестве гетеродинного ur(t) можно взять смещенное на промежуточную частоту зондирующее колебание. На выходе смесителя формируются колебания ur(t) разностной частоты (рис. 6.8, б), так называемой частоты дальности, принимающей на большей части периода Т значение:
.
Для выделения колебаний на схеме (рис. 6.8, в) предусмотрен спектроанализатор в виде набора полосовых фильтров (ПФ) с амплитудными детекторами (Д). Полосы пропускания фильтров выбираются обратными длительностям когерентно обрабатываемых сигналов. Когда условие tз <<Т не соблюдается, спектроанализатор разбивается на группы фильтров. На предшествующие им смесители подаются сдвинутые по времени гетеродинные напряжения. Если дополнительно реализуется обзор пространства, например путем частотного сканирования, то принимаемые колебания оказываются импульсными, что учитывается при подборе полос пропускания фильтров спектроанализатора. Моменты прихода импульсов могут давать информацию об угловой координате.
| Рис. 6.9. Корреляционно-фильтровая обработка ЛЧМ-сигнала с частичной фазочастотной модуляцией: а – зависимости изменения мгновенной частоты по времени обрабатываемых и гетеродинных колебаний; б – сигналы на выходе устройства
|
Частичная фазочастотная демодуляция. Этот случай рассмотрим на примере обработки ЛЧМ-сигнала с большой частотной девиацией, обеспечивающей разрешение целей (элементов цели) в некотором стробе дальности, выставляемом, например, по результатам предыдущей более узкополосной локации. В качестве гетеродина можно использовать генератор ЛЧМ-колебаний, длительность которых превышает сумму длительностей сигнала и наблюдаемого строба, а производная частоты
dfг/
dt которых близка, но отличается от соответствующей производной колебаний сигнала. В результате гетеродинирования девиация принимаемого сигнала существенно снижается до величины , отличной, однако, от нуля (рис. 6.9).
| Рис. 6.10. Согласованная фильтрация фазоманипу-лированного радиоимпульса: условное изображение ФМ-радиоимпульса (а); импульсной характеристики согласованного фильтра (б); согласованный фильтр (в); условное изображение обрабатываемых колебаний на входе (г); и выходе сумматора (д); сигнал на выходе согласованного фильтра (е)
|
Несмотря на сужение полосы частот, разрешающая способность по дальности в выделенном стробе не ухудшается. В дополнение к имеющемуся взаимному временному смещению отраженные целями (элементами цели) радиоимпульсы получают при гетеродинировании дополнительные частотные смещения и, как следствие, дополнительные временные смещения в фильтре сжатия, зависящие от дальности. Расширение сжатых импульсов из-за сужения полосы частот канала обработки сопровождается общим растяжением масштаба времени и не ведет к ухудшению разрешающей способности по дальности. Уменьшение же частотной девиации упрощает фильтр сжатия и последующий тракт обработки в условиях малоцелевой локации.
Все темы данного раздела:
Севастополь
ББК 32.95я73
Г 657
УДК 621.396.967(075)
Учебное пособие составлено в соответствии с программой учебной дисциплины «Радиолокационные системы» (раздел «Радиолокационные сис
Список сокращений Это делаю я
АВУ
Антенное вычислительное устройство
АКП
Автоматическая компенсация помех
АКУ
Авто
Краткая историческая справка
Первые РЛС были станциями обнаружения самолётов. 5 стационарных импульсных РЛС было установлено на юго-западном побережье Великобритании в 1936 году. Они работали на сравнительно длинных (метровых)
Основные типы РЛС
РЛС различают прежде всего по конкретным задачам, выполняемым ими автономно или в комплексе средств, с которыми они взаимодействуют, например: РЛС систем управления воздушным движением, РЛС обна
Общее описание радиолокационной станции
В настоящее время различают два принципиально различных типа радиолокации: активная и пассивная. При активной радиолокации радиолокационная станция (РЛС) сама излучает сигнал в виде электромагнитно
Уравнение дальности радиолокации
По-видимому, наиболее полезным и простым описанием влияния различных факторов на работу РЛС является уравнение дальности радиолокации. Одна из форм записи этого уравнения определяет
Информация, извлекаемая при обработке радиолокационного сигнала
Хотя в основе самого наименования «радиолокационная станция» лежит аббревиатура английских слов «обнаружение и измерение дальности с помощью радио» (radiodetectionandrang
Диапазоны частот, применяемые в радиолокации
Реально никаких ограничений на диапазоны частот, используемые в радиолокации, не существует. Любое устройство, которое обнаруживает цели и определяет их местоположение путем излучения электромагнит
Сигналы, применяемые в радиолокации
Предварительное замечание. Рассмотрение всего многообразия сигналов, способов их представления и свойств выходит за рамки данного пособия. Здесь рассматриваются и более детальн
Простые сигналы
Простыми называются сигналы, база которых В, т.е. произведение ширины спектра сигнала на его длительность , удовлетворяет условию . Все одиночные радиоим
Радиоимпульсы с внутриимпульсной частотной модуляцией
Рис. 1.2. Закон ЛЧМ модуляции и ЛЧМ-радиоимпульс
Ри
В таких сигналах частота в пределах длительности радиоимпульса
Основные параметры зондирующих сигналов
Закон модуляции. Он включает законы амплитудной, частотной и фазовой модуляции (манипуляции) сигнала.
Длительность сигнала . Она измеряется
Линейные рекуррентные последовательности максимальной длины
Линейной рекуррентной последовательностью (ЛРП) называется последовательность символов удовлетворяющая рекуррентному правилу:
, (1.6)
где значения как символов пос
Системы сигналов
При построении систем передачи информации, таких, как многоканальные системы с кодовым уплотнением, т – ичные системы (системы, в которых для передачи сообщений используют
Ортогональные сигналы
В общем случае ортогональные сигналы можно сформулировать так. Пусть , – некоторая полная ортонормированная система функций. Тогда любой сигнал , с полосой частот Fс можно предста
Симплексные сигналы
В общем случае симплексные сигналы получаются из ортогональных сигналов следующим образом. Пусть {аi}, i = 1,2,..., т, – ортогональные сигналы. Добав
Эффективная площадь рассеяния целей
Явление вторичного излучения, лежащее в основе активной радиолокации, свойственно волнам любой природы. Оно возникает всякий раз, когда волна встречает препятствие на пути своего ра
Размеров цели и длины волны
Поля вторичного излучения, позволяющие определить ЭПР объектов, находят точными и приближенными расчетными методами, в том числе методом математического моделирования, наряду с кото
Рассеяния радиолокационных целей
Радиолокационные цели обладают, как правило, достаточно сложной конфигурацией. Поверхность их характеризуется наличием блестящих точек в виде выпуклых участков поверхностей двойной кривизны и резон
Вероятностная оценка ЭПР
Как отмечалось ранее, задача определения характеристик отраженного сигнала от цели, представляющих собой совокупность различных элементарных отражателей изначально сложна, а в ряде случаев и невыпо
Отраженного сигнала
Полученные новые законы распределения вероятности случайной величины – амплитуды и фазы отраженного сигнала и ЭПР цели не в полной степени характеризуют трансформацию протяженного с
Качественные показатели обнаружения радиолокационных сигналов
Обнаружение – процесс принятия решения о наличии или отсутствии сигнала в смеси сигнал и шум в произвольном разрешающем объёме.
Результатом процесса обнаружения сигнал
Критерии обнаружения
Для решения задачи обнаружения необходимо иметь соответствующие априорные (доопытные) сведения о статистических характеристиках помех и отраженных от целей сигналов. Эти сведения позволяют найти ме
Отношение функций правдоподобия
принято называть отношением правдоподобия.
Для выбора гипотезы H1, или Н0 должно быть взято за основу определенное п
Алгоритм обнаружения и структура оптимального обнаружителя
Такие параметры принимаемого сигнала как амплитуда, начальная фаза, запаздывание, доплеровский сдвиг частоты и другие, в общем случае изменяются от импульса к импульсу по случайному
Характеристики обнаружения. Пороговый сигнал
Определим характеристики обнаружения или рабочие характеристики приемника РЛС при его работе с полностью известным (детерминированным) сигналом. Для этого надо вычислить условные пл
Обнаружение сигналов со случайными параметрами
Рассмотрим задачу обнаружения сигнала, зависящего от случайных неизмеряемых параметров. Примерами таких сигналов могут быть сигнал со случайной начальной фазой, случайными начальной
Алгоритм обнаружения сигналов со случайными параметрами
Наша задача записать отношение правдоподобия для такого сигнала принятого РЛС.
Совместную плотность вероятности принятой реализации сигнала и шума и случайных неизмеряемых
Параметрами
Алгоритмы оптимального обнаружения рассматриваемых сигналов реализуются на основании полученных выражений для отношения правдоподобия (3.29, 3.30) и решающего правила. Решающее прав
Кривые обнаружения. Пороговые сигналы
Рис.3.6. Характеристики обнаружения сигнала со случайной начальной фазой
Для определения характеристик обнаружения сигн
Понятие оптимального фильтра, его импульсная характеристика
Из основ теории оптимального обнаружения (мы рассмотрели основы этого вопроса в главе 3) следует, что основной операцией является вычисление частного значения функции взаимной корре
Спектральные характеристики оптимального фильтра, его работа
Установлено, что частотная характеристика Копт (f) фильтра
с точностью до произвольного вещественного множителя с и множителя запазды
Обработка простых сигналов с помощью оптимального фильтра
Оптимальный фильтр можно подобрать либо по частотной, либо по импульсной характеристике, взаимосвязанными между собой. Для обработки простых сигналов без внутриимпульсной модуляции
Накопление пачки некогерентных сигналов
Нами был рассмотрен вопрос когерентного накопления пачки радиоимпульсов, т.е. сигналов, фазы которых жестко связаны между собой. Некогерентное накопление заключается в суммировании
Обработка сложных сигналов с помощью оптимального фильтра
Рис. 4.10. Разрешение при сжатии широкополосных
радиоимпульсов в оптимальном фильтре
Известно, что сложные радиолокационные сигналы я
Сжатие ФКМ-радиоимпульса
Рассмотрение сигналов с фазовой манипуляцией показывает, что они представляют большой интерес для радиолокации, поскольку корреляционные функции некоторых из них имеют требуемую форму малую длитель
Сжатие ЛЧМ-радиоимпульса
Процесс сжатия ЛЧМ-радиоимпульса поясним с помощью временных графиков. а рис. 4.12 а, б, в приведен ЛЧМ-импульсный сигнал с прямоугольной огибающей. Выходной импульс на уровне 5 = 0,637 от максимал
Исходные предпосылки
В соответствии с общей теорией приема, оптимальная временная обработка принимаемого на фоне стационарного белого шума сигнала сводится к вычислению корреляционного интеграла, которы
Области
Так как принимаемые радиолокационные сигналы перед дискретизацией преобразуются в две квадратурные составляющие, то реализация ЦСФ должна производиться в двух квадратурных каналах. Квадратурные сос
Цифровой согласованный фильтр для сигналов в частотной области
Рассмотрим теперь особенности дискретной свертки типа согласованной фильтрации в частотной области. В соответствии с теорией дискретного представления непрерывных функций, ограничен
Обнаружение радиолокационных целей и измерение их параметров
Статистическая теория радиолокации, о которой речь шла в предыдущей главе, решает задачу обнаружения одиночного импульса, отраженного от какого-то объекта. Оператор или автоматический обнаружитель
Некогерентной нефлуктуирующей пачки импульсов
В процессе сканирования пространства диаграмма направленности антенны РЛС проходит через цель, при этом от цели отражается и приходит на вход приемника не один радиоимпульс, а группа (пачка) имп
Характеристика обнаружения сигналов при дискретной обработке
В последнее время все более широко внедряются методы и техника дискретной (цифровой) обработки сигналов в РЛС, поэтому для практики рассмотрение этого вопроса для нас важно. Более детально вопросы
Определение вероятности ложной тревоги
Вероятность ложной тревоги определяется исходя из соображений допустимого потока ложных тревог в зависимости от обстановки в районе плаванья и «цены» тревоги. Обращаясь к рис. 3.1,
Параметров радиолокационных сигналов
В конечном итоге любой радиолокатор предназначен для измерения тех или иных координат и параметров движения целей, поэтому измерение является одной из основных операций, выполняемых
Критерии оптимального измерения
Из-за случайных параметров радиолокационных сигналов процесс измерения носит статистический характер. Показателем качества измерения является статистически усредненная величина ошиб
Уравнение оптимальной оценки параметров радиолокационных сигналов
Оптимальная оценка параметра может быть определена как корень одного из уравнений:
Рис. 5.2. Кривые послеопытной (апостериорной) плот
Оптимальный дискриминатор. Ошибки измерения
Рис. 5.3. Структурная схема оптимального измерителя параметра
Уравнение оптимальной оценки описывает алгоритм работы оп
Характеристики дискриминатора
Выходной сигнал оптимального дискриминатора (сигнал ошибки), представляющий собой производную квадрата модуля корреляционного интеграла по измеряемому параметру, характеризуется сре
Параметрами
В радиолокационных системах задача обнаружения сигналов решается обычно на видеочастоте, после объединения сигналов квадратурных каналов (на выходе детектора огибающей). Принимаемый
Оптимальный обнаружитель пачки оцифрованных сигналов
Теория оптимальных обнаружителей достаточно подробно рассмотрена в литературе. Рассмотрим случай обнаружения полностью известного сигнала – пачки из т нефлюктуирующих импульсов, при
С неизвестными параметрами
Оптимальные алгоритмы обнаружения сигналов обладают предельными характеристиками только для тех условий функционирования, которые принимались при синтезе. Отклонение статистических характеристик по
Адаптивные цифровые обнаружители
Как уже отмечалось, для преодоления априорной параметрической неопределенности применяется формирование на основе произведенных наблюдений оценок неизвестных параметров сигналов и п
Параметров сигналов
В дальнейшем предполагается, что для решения задачи оценки параметров сигналов используется та же выборка входных колебаний, что и при решении задачи обнаружения. Все исходные предпосылки о статист
Оценка времени задержки и доплеровской частоты сигнала
Без внутриимпульсной модуляции
6.2.1. Одиночные радиоимпульсы
Способы обзора пространства
Обработка фазоманипулированных радиоимпульсов
Рис. 6.11. Многоканальное устройство фильтровой обработки ФМ - радиоимпульса с неизвестной доплеровской частотой
Рассмотрим согл
Дальность действия РЛС
Одна и основных задач при разработке и проектировании РЛС, а также при выборе из существующих РЛС наиболее пригодную для решения конкретных задач потребителя является определение ее максимальной да
Потери отношения сигнал-шум в реальных РЛС
Потери в антенне определяются распределением поля по поверхности (апертуре) антенны:.
,
где – коэффициент, учитывающий неравномерность распред
Зона видимости. Способы
Рис. 7.2. Зона видимости РЛС
сканирования пространства и влияние их на дальность действия РЛС
Коэффициент направленного действия антенны
Обратимся еще раз к формуле (7.5). Здесь и – коэффициенты направленного действия антенны – указывается в формуляре на антенну или РЛС, является основной характеристикой антенны. Он
Учет формы диаграммы направленности антенны и способа обзора пространства
В выражении (7.5) множитель описывает форму диаграммы направленности антенны. В общем случае получить выражение для диаграммы направленности любой произвольной антенны – задача дост
Способы обзора пространства
В процессе проектирования РЛС одним из наиболее сложных и важных вопросов является обоснование и выбор способа сканирования пространства. Задача сводится к обеспечению просмотра зоны видимости (рис
Расчет числа импульсов в пачке
Для каждого конкретного выбранного способа сканирования пространства представляется важным знать количество лучей в пачке, так как в большинстве современных РЛС реализуется как коге
Поглощение радиоволн атмосферными газами
Рис 7.7. Зависимость коэффициента
затухания радиоволн в воздухе
от длины волны при t = 200 C
Осно
Влияние гидрометеоров на распространение радиоволн
7.4.1. Характеристики тумана и дождя
Таблица 7.2
Характеристики тумана и дождя
Ви
Поверхностно распределенные цели.
Морские условия весьма многообразно влияют на радиолокационное обнаружение. Из всего многообразия можно выделить три основных явления:
– сигналы, отраженные целями, подвержены изменениям;
Свойства отражений от взволнованной поверхности моря
Зондирующий сигнал, отраженный от поверхности моря, создает значительные помехи РЛС и затрудняет обнаружение целей. На рис. 7.11 приведены фотографии индикатора кругового обзора РЛС «Океан» с центр
Свойства морской поверхности
Ветровые морские волны – основная причина возникновения флюктуационных мешающих отражений радиолокационного сигнала. Волны возникают под влиянием атмосферных воздействий. Реакция мо
Приемника РЛС
Отраженные сигналы могут поступать по главному, боковым и заднему лепесткам диаграммы направленности антенны. На рис 7.12 приведен порядок определения освещенной площадки главным лепестком антенны.
Учет влияния поверхности Земли
В качестве некоторой нормы атмосферы принята нормальная атмосфера с параметрами:
давление Р=1013 мбар;
температура t = 130 C;
относительная влажность s
Основные виды помех активной радиолокации
Как и в любой радиотехнической системе, в радиолокации может существенно сказываться влияние различного рода помех. Роль помех в активной радиолокации может оказаться еще большей, ч
Защиты от них
Существуют два основных вида источников естественных маскирующих активных помех: дискретные и распределенные. К дискретным источникам помех относятся Солнце, Луна и радиозвезды. К р
И способы создания
Рис. 8.1. Влияние слабой (1) и сильной (2, 3) помехи на прохождение сигнала
В качестве искусственных маскирующих
При воздействии маскирующих стационарных активных помех
При достаточном динамическом диапазоне приемника условие обнаружения цели в маскирующих стационарных активных помехах типа белого шума имеет вид
,
где Епр
Пассивные маскирующие помехи и способы их создания
Как уже указывалось выше, к естественным пассивным помехам относятся радиопомехи, создаваемые природными отражателями (местными предметами, водной поверхностью, гидрометеорами, севе
Основные направления защиты РЛС от маскирующих активных помех
Анализ уравнения противорадиолокации показывает, что основные направления защиты РЛС от маскирующих активных помех связаны с использованием амплитудных, поляризационных, частотных и
Методы некогерентной и когерентной компенсации помех
Для улучшения пространственной селекции сигнала на фоне помех, приходящих с отдельных направлений, кроме мер, перечисленных выше, могут быть также исп
Практические схемы автокомпенсаторов
Квадратурный автокомпенсатор
В таком автокомпенсаторе формирование весового (управляемого) напряжения осуществляется на видеочастоте. В этой связи представим компле
Основные различия сигналов целей и пассивных маскирующих помех
Сигналы, отраженные от целей, и пассивные маскирующие помехи в общем случае имеют различные статистические характеристики. Для сигналов и помех, распределенных по нормальному закону
Оптимальное обнаружение сигнала на фоне пассивной помехи
в виде стационарного небелого шума
Небелый шум, как известно, характеризуется неравномерным распределением спектральной плотности мощности по оси часто
Фильтров подавления
Рис. 8.22. Схема однократного
череспериодного вычитания
Принципы построения входящих в состав оптимального фильтра оп
Модели движения целей
Наблюдаемые радиолокационные цели: наземный транспорт, корабли, самолеты, космические аппараты и другие объекты – могут двигаться по самым разнообразным траекториям, имеющим, как правило, случайный
Экстраполяция траекторных параметров
Оценка траекторных параметров движения цели в соответствии с общей структурной схемой ВО проводится в блоке О (рис. 9.2) по отсчетам, отобранным в ходе операции селекции и относящим
Алгоритм селекции отсчетов по минимальному отклонению от центра строба
Алгоритм селекции отсчетов по минимальному отклонению от центра строба обычно применяется в двухэтапной процедуре стробирования. Этот предназначен для работы в случаях, когда в стробе появляется
Алгоритмы сопоставления и привязки отсчетов к траекториям
в многоцелевой ситуации
Рис. 9.8. Вариант многоцелевой ситуации
Это одна из самых трудных
Общие положения
В современных радиолокационных системах требуемые вероятностные и точнстные характеристики обеспечиваются лишь после проведения этапа ВО. При этом в отличие от первичной обработки п
Вероятность ложного обнаружения траектории
Структура простейшего алгоритма завязка – обнаружение – сброс «2 из m» + «l из n» – «s» в виде направленного графа приведена на рис. 9.9. Направленный гр
Вероятность правильного обнаружения траектории
При поступлении на вход обнаружителя отсчетов, полученных от некоторой цели, логика работы алгоритма остается той же, что и в случае ложных отсчетов. Траектория цели обнаруживается при выполнении у
С И С Т Е М
В первом разделе данного учебного пособия были рассмотрены основные вопросы теории построения радиолокационных систем. Изложенный в нем материал представляется достаточным для поним
Современных активных РЛС
Существенный прогресс в развитии элементной базы, расширение ранее существовавших и появление новых областей применения РЛС привели к коренному пересмотру как принципов построения,
И возможности создания современных корабельных РЛС
При выборе путей создания радиолокационных систем следует учитывать результаты анализа тенденций развития радиолокационных систем и следующие особенности, обусловленные применением
Тактические характеристики РЛС
К тактическим характеристикам РЛС относятся назначение, сектор или зона работы, время обзора этого сектора, качественные показатели обнаружения объекта, число измеряемых координат и
Число измеряемых координат и параметров движения объекта и точность этих измерений.
В РЛС противовоздушной и особенно противоракетной обороны требуется измерение как всех трех координат летательного аппарата, так и их первых, а иногда и вторых производных.
В РЛС наблюдени
Когерентные доплеровские РЛС с непрерывным излучением
Возвращаясь к главе 2, в частности, к рис 2.8, можно еще раз констатировать, что в общем, отраженном от объекта сложной формы, сигнале существенной может быть когерентная составляющ
Когерентно-импульсные РЛС
Рассмотренные выше РЛС с непрерывным излучением представляют собой в каком-то смысле чисто доплеровские, или когерентные РЛС. Несколько по-иному решается задача когерентного накопле
РЛС с внешней когерентностью
Как уже отмечалось, к РЛС с внутренней когерентностью предъявляются жесткие требования к стабильности напряжения источника питания и частоты генераторов. Поэтому часто используют режим работы с вне
Временной когерентной обработки сигналов
Комплексная амплитуда напряжения сигнала на выходе линейной части приемника (при условии отсутствия пространственных помех) записывается в виде
, (11.2)
где
Исходные предпосылки
В соответствии с общей теорией приема, оптимальная временная обработка принимаемого на фоне стационарного белого шума сигнала u(t) сводится к вычислению корреляционног
Во временной области
Так как принимаемые радиолокационные сигналы перед дискретизацией преобразуются в две квадратурные составляющие, то реализация ЦСФ должна производиться в двух квадратурных каналах.
В частотной области
Рассмотрим теперь особенности дискретной свертки типа согласованной фильтрации в частотной области. В соответствии с теорией дискретного представления непрерывных функций, ограничен
Общие положения
Под СДЦ понимают выделение сигналов движущихся целей из них смеси с помехами и шумами, принимаемой приемником РЛС. Типичными задачами СДЦ являются: обнаружение самолетов на фоне отр
Коррелированной помехи
Как известно, оптимальный обнаружитель когерентной пачки радиоимпульсов на фоне белого шума представляет собой последовательно соединенные согласованный с пачкой фильтр, детектор и
И влияющие на нее факторы
Для оценки качества работы систем СДЦ обычно используются следующие характеристики.
1. АЧХ режекторного фильтра и канала доплеровской частотной селекции.
Одноканальные методы автосопровождения по угловым координатам
Системы автоматического сопровождения по угловым координатам в ряде радиолокационных систем являются основными. Это в космической локации, в системах наведения оружия и т.д.
Автоматическое
Угловых координат
Получившие широкое распространение одноканальные методы пеленгации, отличаясь сравнительной простотой, не всегда обеспечивают достаточную точность измерения. Основной причиной являются искажения ог
В моноимпульсных системах
Широкое применение в моноимпульсных системах находит суммарно-разностная обработка колебаний, принимаемых различными каналами. При такой обработке образуются сумма и разность двух колебаний. Чтобы
Двухканальных систем
Произвольное угломерное устройство (амплитудное или фазовое) может быть использовано для получения сигнала рассогласования (сигнала ошибки) следящей системы при автосопровождении по
И методы определения координат
Пассивная локация осуществляет обнаружение и измерение координат воздушно-космических, наземных и надводных объектов, создающих излучения. Источниками излучения могут быть работающи
Корреляционные методы обработки сигналов
Практическая реализация методов пассивной локации связана с необходимостью отождествления, т. е. установления соответствия между сигналами, принятыми в различных пунктах от одного и
Определения координат излучающего объекта
Пусть пункты приема и источники радиоизлучения расположены в плоскости хОу (рис. 14.6). Положение i-го пункта характеризуется вектором , истинное положение пеленгуемого объек
Сигнала при корреляционной обработке
На вход коррелятора при наличии сигнала поступают случайные колебания:
каждое в виде аддитивной смеси полезного сигнала и помехи. Все эти колебания считаем
Естественных и близких к ним электромагнитных излучений
Под естественным излучением будем понимать тепловое хаотическое излучение объектов, а также участков местности и пространства.
Эффект неравномерного теплового излучения радиоволн участками
Принцип действия радиолокационной системы с активным ответом
Подобные системы еще называют системами вторичной радиолокации. Основное отличие ее от радиолокации с пассивным ответом следует из самого наименования: вместо пассивного ответа, обр
Устранение влияния боковых лепестков антенны
Мощность излучения по боковым лепесткам антенны запросчика в горизонтальной плоскости оказывается вполне достаточной для запроса ответчиков, удаленных на большое расстояние от запро
Влияние паразитных отражений в системах с активным ответом
На рис. 15,4 показан случай, когда при угле между направлениями запросчик-ответчик и запросчик-отражатель, превышающем ширину луча запросчика, и достаточно больших размерах отражате
В РЛС с активным ответом
Измерение азимута в РЛС с активным ответом основано на использовании обнаружителя с движущимся окном. Для серии последовательных запросов фиксируется несколько ответных сигналов одн
Система активного ответа с адресным запросом
В рассмотренной системе с активным ответом запрашиваются все цели, находящиеся в пределах ДН антенны запросчика. В результате возникает перегрузка системы лишними запросами и ответа
Принцип построения РЛС с синтезированной апертурой антенны
Подобный тип РЛС моно реализовать, разместив антенну на носителе, обладающем большой скоростью, позволяющей получить синтезированную апертуру протяженностью десятки и даже сотни кил
Цифровая обработка сигналов РСА
При аналоговой обработке в РСА с использованием фотопленки информация извлекается с большим запаздыванием относительно момента записи (до нескольких часов). Цифровая обработка сигна
Космические РЛС с синтезированной апертурой
Космическим средствам разведки придают все большее значение и военные, и гражданские специалисты. Применение на борту космического аппарата РЛС с синтезированной апертурой расширяет возможности раз
Проект lightSAR
Цель проекта lightSAR – создание недорогой аппаратуры, имеющей малые массу и объем, для высокоточных наблюдений за поверхностью земли. Аппаратура будет установлена на спутнике, выс
К Р А Т К О Е О П И С А Н И Е Н Е К О Т О Р Ы Х Р Л С
Ранее в данном учебном пособии были рассмотрены основные вопросы теории построения и структурные решения при создании радиолокационных систем. Изложенный материалы представляются достаточными для п
Общие данные
Судовая навигационная РЛС «Океан» является двухдиапазонной и работает на волнах 3,2 и 10 см. Кроме того, в зависимости от типа комплектации (варианта) станция может быть однодиапазо
Антенно-волноводное устройство
Двухдиапазонная антенна типа А представляет собой конструкцию зеркального типа, показанную на рис. 17.1
Антенна имеет общий отражатель (зеркало) с поверхностью раскрыва 750
Канал СВЧ на волне 3,2 и 10 см
АПЧ
АПЧ
УПЧ
Передающее устройство
Передатчик РЛС «Океан» 3,2 и 10 см состоит из модулятора и магнетронного генератора (рис. 17.6). В состав модулятора входят:
ЛЗ
Приемное устройство
8 УПЧ
Д
ВУ
Общие данные
Навигационная радиолокационная станция МР-244 «Экран» устанавливается на морских и речных судах, береговых постах контроля судоходства и обеспечивает:
– радиолокационное от
Передающий тракт
Передающий тракт обеспечивает генерирование СВЧ зондирующих импульсов и формирование ряда служебных импульсов, синхронизирующих работу других трактов и устройств с моментами излучен
Приемный тракт
Приемный тракт обеспечивает преобразование отраженных СВЧ-сигналов в сигналы промежуточной частоты, их усиление на промежуточной частоте и детектирование. В приемном тракте осуществ
Режим обзора пространства и зоны обнаружения РЛС
Далее нами будут рассмотрены в качестве примера две РЛС воздушного наблюдения. Предварительно следует напомнить некоторые особенности подобных РЛС. Как правило, РЛС воздушного наблю
Генераторы СВЧ многокаскадных передающих устройств
Генератор СВЧ многокаскадных передающих устройств предназначен для усиления входного маломощного высокочастотного сигнала до уровня, необходимого для излучения. В качестве таких ген
Импульсные модуляторы
Импульсные модуляторы предназначены для управления колебаниями генераторов СВЧ. В РЛС используется анодная модуляция, при которой управление работой генераторов производится путем м
Высокочастотный тракт
Высокочастотный тракт обеспечивает передачу с минимальными потерями электромагнитной энергии от передающего устройства к антенному. Он представляет собой сложный комплекс высокочаст
Схемы помехозащиты РЛС
Устройства защиты от помех не являются универсальными. Каждое из них эффективно может использоваться против определенного вида помех. В РЛС обнаружения применяются различные схемы и
Параметры и структура излучаемого сигнала
РЛС работает в S-диапазоне рабочих частот 2900 – 3130 мГц. Количество фиксированных рабочих частот в пределах указанного диапазона определяется исходя из ширины полосы частот радиоизлучения,
Энергетические характеристики
Энергетические характеристики РЛС определяются энергетическими характеристиками передающего устройства, антенно-фидерной системы, приемного устройства и цифровой обработки сигналов.
Характеристики помехозащищенности
Защита РЛС от пассивных помех строится с учетом опыта разработки и испытаний РЛС подобного класса, а также на основе данных, полученных путем полунатурного моделирования с использов
Точностные характеристики определения координат целей
Выбранные для реализации в РЛС параметры и структура излучаемого сигнала, современные методы обработки радиолокационной информации, а также большой динамический диапазон, достигаемы
Выбор и обоснование структурной схемы
С учетом изложенного выше, реализация приведенных ТТХ возможна в рамках структурной схемы, приведенной на рис. 19.2 и 20.2.
20.2.1. Передающее устро
Приемное устройство
Структурно, рис. 20.2, 20.4 приемное устройство состоит из многоканального (по количеству сформированных антенной горизонтальных каналов) аналогового приемного устройства, многоканальной аналого-ци
Цифровая диаграммообразующая система
Цифровая диаграммообразующая система (далее – ЦДОС) – функциональное устройство антенны первичного радиолокатора РЛС, предназначенное для формирования диаграммы направленности (ДН)
РЛС воздушного наблюдения корабельного базирования
№ п/п
Тип РЛС и ее краткая характеристика
Размеры антенны, м
Пиковая мощность, мВт
Длительность импульса, мкс
РЛС воздушного наблюдения наземного базирования
№ п/п
Тип РЛС и ее краткая характеристика
Длинна волны, м
Зона обзора: По азимуту, гр
По углу места, гр
Биографические сведения о некоторых выдающихся ученых и инженерах-создателях радиолокационных систем
Ге́нрих Ру́дольф Герц
(22 февраля 1857 – 1 января 1894, Бонн)
Г
Александр Степанович ПОПОВ
(16 марта 1859 – 13 января 1906
А.С. Попов родился 16 марта 1859 г. в поселке Турьинские Рудник
Юрий Борисович Кобзарев
(8 декабря 1905 – 25 апреля 1992)
Юрий Борисович Кобзарев – доктор технических наук, академик Российской академии наук, выдающийся ученый в области радиоте
Кристиан Хюльсмайер
(1881 – 1835)
Изобретатель радара Кристиан Хюльсмайер (Christian Huelsmeyer) родился 25 декабря 1881 г
Михаил Михайлович Лобанов
(19 марта 1901 – 2 марта 1984)
Михаи́л Миха́йлович Лоба́нов – советский военный инженер, одна из ключевых фигур в становлении и развитии ра
Павел Кондратьевич Ощепков
(25 марта 1928 – 1 декабря 1992)
Родился в 1908 году в деревне Зуевы Ключи Сарап
Библиографический список
1 Труды Института радиоинженеров – ТИРИ (Proceedings of the IRE)
[М.: ИЛ, 1962/Две части (1517 c.)].
2. Электроника: прошлое, настоящее, будущее /Пер. с анг. под р
Новости и инфо для студентов