§ 20.2. ОБНАРУЖЕНИЕ РАДИОТЕПЛОВЫХ СИГНАЛОВ. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ РАДИОМЕТРОВ

Для описания теплового излучения может быть использована модель нормального белого шума, так как спектральная плотность потока, задаваемая соотношением (20.1), в пределах полосы пропускания применяемых в радиометрах приемных устройств равномерна. В связи с этим при определении алгоритма оптимальной обработки принимаемого сигнала можно воспользоваться результатами § 3.5, считая, функция обнаруживаемого ральная плотность мощности сигнала, получаемая с помощью (20.1) или на основе яркостной температуры источника. При такой корреляционной функции сигнала обратная корреляционная функция, определяющая вид функционала ПВ при истинности гипотезы , в соответствии с (3.33) и с учетом фильтрующих свойств дельта-функции, где — спектральная плотность белого шума, на фоне которого обнаруживается тепловое излучение.

Записывая с помощью (3.35) оптимальный опорный сигнал , приходим к выводу, что решение в пользу гипотезы (сигнал есть) принимается при превышении величиной

порогового уровня .

Рис. 20.2

Синтезированный обнаружитель принято называть энергетическим.

При практической реализации (рис. 20.2) обнаружитель состоит из полосового фильтра 1, квадратичного детектора 2, интегратора 3, вместо которого может использоваться ФНЧ, устройства стробирования 4, порогового устройства 5.

Полоса пропускания входного фильтра и время накопления Т или полоса пропускания ФНЧ существенно влияют на качественные показатели обнаружителя. Методика их определения рассмотрена в § 3.5.

В реальных условиях спектральные плотности мощности обнаруживаемого и мешающего сигналов неизвестны, поэтому следует использовать контрастный метод обнаружения, состоящий в сравнении между собой выходных сигналов интегратора для двух различных разрешаемых элементов (двух положений ДНА). В этом случае решение принимается на основании сравнения с порогом, зависящим от ожидаемого температурного контраста, разности , где - выходные сигналы интегратора для анализируемых элементов.

Как отмечалось в § 3.5, при выполнении условия , а в нашем случае и являются нормальными случайными величинами. Разность также нормальному закону со средним значением и дисперсией , которая вследствие независимости результатов обработки в двух сравниваемых каналах .

Для упрощения анализа заменим, как и в § 3.5, интегрирование суммированием независимых отсчетов на выходе квадратичного детектора. Тогда с учетом стационарности обрабатываемых процессов

где , - среднее и дисперсия отсчетов на выходе квадратичного детектора для канала, - число независимых отсчетов на интервале наблюдения.

При использовании вместо интегратора ФНЧ с полосой пропускания

Для квадратичного детектора отсчеты выходного сигнала при узкополосном нормальном процессе на входе подчиняются одностороннему экспоненциальному распределению

со средним значением и дисперсией

(20.10)

Входящие в эти выражения дисперсии связаны с мощностью различаемых излучений и пропорциональны соответствующим полным значениям температуры источника с учетом температуры антенны и температуры шумов приемника, т. е.

(20.11)

где k — коэффициент пропорциональности.

Таким образом, с учетом (20.8) — (20.11) распределение при отсутствии контраста (гипотеза )

а при его наличии (гипотеза )

(20.13)

Проинтегрировав (20.12) от до , где — пороговое значение температурного контраста, а (20.13) от до , нетрудно получить выражения Для и .

При обнаружении малых температурных контрастов выражение можно замегшть на , при этом дисперсии распределений (20.12) и (20.13) становятся одинаковыми.

В § 3.1 было показано, что требуемая верность обнаружения (заданные значения и определяется параметром обнаружения q, равным отношению разности средних значений величин, сравниваемых с порогом при справедливости гипотез и , к действующему значению этих величин.

Параметр обнаружения . При использовании ФНЧ

(20.14)

Соотношение (20.14) совместно с (3.8) позволяет найти пороговый контраст, обнаруживаемый с заданной достоверностью:

(20.15)

где .

Выражение (20.15) дает возможность оценить дальность действия радиотеплолокатора, которая зависит от того, обнаруживается ли контраст для протяженных объектов, Полностью перекрывающих сечение ДНА, или малоразмерных целей площадью . В первом случае условие обнаружения яркостного контраста имеет вид

(20.16)

где определяется требуемой верностью обнаружения. При этом несколько неожиданным на первый взгляд является отсутствие в выражении (20.16) дальности до цели D. Это связано с тем, что при обнаружении температурного контраста для протяженных целей с увеличением дальности растет мощность, поступающая в антенну с поверхности объекта, что и компенсирует увеличение расстояния.

Для малоразмерной цели условие обнаружения можно записать в виде

(20.17)

где — ширина главного лепестка ДН приемной антенны; — коэффициент направленного действия антенны; — угловой размер цели.

Соотношение (20.17) характеризует дальность действия радиотеплолокатора, работающего по малоразмерной цели:

Важным элементом теплолокатора, во многом определяющим качество его работы, является приемник. При проектировании необходимо учитывать, что слабые температурные контрасты должны обнаруживаться на фоне (относительно принимаемых сигналов) собственных шумов приемника.

Рис. 20.3

Рис. 20.4

Устранение составляющей выходного напряжения, обусловленной собственными шумами приемника, может осуществляться методами компенсации, модуляции принимаемого излучения или корреляционного приема.

1. В приемнике с компенсацией собственного шума из выходного сигнала детектора вычитается постоянная составляющая, соответствующая уровню собственных шумов. Нестабильность шумовых параметров снижает эффективность этого приема.

2. Наибольшее распространение получили модуляционные приемники радиотеплового излучения, в которых производится амплитудная модуляция входного сигнала путем переключения входных цепей приемника от антенны к эталонному резистру или генератору шума (рис. 20.3). Если частота коммутации (обычно 20—1000 Гц) больше ширины спектра флуктуаций уровня собственных шумов, то при синхронном детектировании, состоящем в умножении выходного сигнала усилителя низкой частоты (УНЧ) на опорный сигнал, управляющий коммутатором, и последующем интегрировании, составляющая собственных шумов будет резко ослаблена.

3. В корреляционном радиометре (рис. 20.4) выходные сигналы двух линейных трактов и , каждый из которых содержит УВЧ, смеситель и УПЧ, перемножаются и интегрируются. Вследствие независимости собственных шумов и и принимаемого излучения на выходе интегратора слагаемые, связанные с собственными шумами, пренебрежимо малы; для принимаемого излучения реализуется оптимальный алгоритм (20.7).