7.2. Обнаружение целей на фоне пассивных помех

Из теории обнаружения сигналов известно, что синтез обнаружителей пачки отраженных от цели импульсов на фоне коррелированных гауссовских помех дает двухступенчатую структуру оптимального обнаружителя, состоящую из обеляющего (декоррелирующего) фильтра и фильтра, оптимального для обнаружения сигнала на фоне помехи с равномерным спектром.

В гл. 3 было показано, что оптимальный для обнаружения пачки импульсов фильтр (согласованный фильтр) состоит из оптимального фильтра для одиночного импульса и накопителя всех импульсов пачки. Таким образом, схема обнаружителя содержит три элемента: оптимальный фильтр одиночного импульса, обеляющий фильтр и накопитель пачки импульсов, а процесс обработки сигнала на фоне коррелированной (пассивной) помехи разделяется на внутрипериодную (фильтрация одиночного импульса) и междупериодную (обеление помехи и накопление сигнала) обработку.

При синтезе структуры оптимального обнаружителя на фоне собственного шума и пассивных помех представляем вектор входной реализации в виде Тогда при плотности распределения вероятностей

где корреляционная матрица помехи размера с элементами определитель матрицы матрица, обратная корреляционной; символ транспонирования;

Используя отношение правдоподобия, находим алгоритм обнаружения:

или тогда

При известных параметрах сигнала слагаемое в (7.1) не зависит и его относят к порогу тогда

Факторизуем матрицу обратную корреляционной, т.е. представим ее произведением верхней и нижней треугольных матриц где нижняя треугольная матрица; верхняя треугольная матрица, причем Тогда

Выражения (7.1) - (7.3) являются алгоритмами оптимальной обработки сигнала с полностью известными параметрами при наличии коррелированной помехи. При обработке сначала выборки декоррелируются (обеляются) путем пропускания их через обеляющий фильтр импульсная характеристика которого образует матрицу затем осуществляется согласованная фильтрация в оптимальном фильтре, у которого импульсная характеристика реализует матрицу

В зависимости от того, как проводится накопление импульсов пачки: когерентно с учетом доплеровской поправки на частоту или некогерентно, т.е. без учета этой поправки, накопитель оптимального фильтра (ОФ) может выполняться в виде гребенчатого фильтра с полосами прозрачности, соизмеримыми с или в виде набора (гребенки) узкополосных фильтров с полосами прозрачности где разрешающая способность по скорости.

На рис. 7.2 приведена обобщенная структурная схема оптимального обнаружителя.

Рис. 7.2. Структурная схема оптимального обнаружителя сигналов на фоне коррелированной (пассивной) помехи (а) и примерный порядок включения оптимального и обеляющего фильтров (б)

Рис. 7.3. Структура обработки при обнаружении сигнала на фоне коррелированных помех

Поскольку предполагается, что фильтрация осуществляется линейными фильтрами, порядок включения их произволен и определяется соображениями простоты и удобства технической реализации. Поэтому оптимальный фильтр (ОФ|) для одиночного импульса чаще всего включают в приемный тракт до детектора Обеляющий фильтр выполняют в виде гребенчатого фильтра (ГФ) и совместно с накопителем ставят после детектора. Гребенчатый фильтр реализуют в виде режекторного гребенчатого фильтра Гребенчатый фильтр и накопитель осуществляют междупериодную обработку (рис. 7.3). Предварительно сигналы из аналоговой формы переводят в цифровую с помощью аналого-цифрового преобразователя и междупериодную обработку проводят в цифровом процессоре. На выходе обнаружителя стоит пороговое устройство Для обнаружения целей на фоне пассивных помех используется то обстоятельство, что несущая частота полезных сигналов, отраженных от представляющих интерес движущихся целей (самолеты, вертолеты, наземные транспортные средства, корабли и т.п.), поступающих на вход приемника радиолокатора, изменяется на величину доплеровского сдвига.

Специфика обнаружителей движущихся целей заключается в технической реализации устройств обеления помехи. Трудности создания этих устройств привели к замене их устройствами подавления или

режекции. Структура устройства подавления определяется в основном режимом работы радиолокатора, его построением и видом излучения (непрерывное излучение либо импульсное). Кроме того, построение РЛС с ОДЦ зависит от того, когерентны или некогерентны сигналы при обработке.

В простейшем устройстве ОДЦ, работающем в режиме непрерывного излучения когерентного сигнала (рис. 7.4), антенна излучает вырабатываемый ГРЧ непрерывный немодулированный сигнал

где - соответственно амплитуда, фаза, круговая частота и начальная фаза сигнала.

Рис. 7.4. Структурная схема простейшего ОДЦ при непрерывном излучении когерентного сигнала

Отраженный сигнал с учетом запаздывания и ослабления можно представить в виде

где время запаздывания.

Попадая на входной контур элемента сравнения сигналов, смесителя или детектора, отраженный и опорный сигналы создают биения с амплитудой (рис. 7.5, а):

и фазой

Обозначим и учтем, что Тогда

где

Амплитуда биений (7.4) выделяется на нагрузке элемента сравнения сигналов. При отражении сигнала от неподвижной цели

поэтому разность фаз а напряжение постоянно (рис. 7.5, б).

Если цель движется и ее дальность меняется, например, по закону то разность фаз опорного и принятого сигналов записывают так:

Здесь начальная фаза; доплеровский сдвиг частоты несущих колебаний, что приводит к изменению

Рис. 7.5. Векторная диаграмма сигналов на входе элемента сравнения (а), векторные диаграммы и вид сигналов при неподвижной (б) и движущейся (в) целях

Из сравнения рис. видно, что при неподвижной цели на выходе смесителя или детектора образуется постоянное напряжение, а при движении цели выходное напряжение является гармоническим с круговой частотой, равной

Постоянная составляющая напряжения с выхода детектора не проходит через фильтр доплеровских частот (ФДЧ), который пропускает все гармонические составляющие в диапазоне заданных доплеровских частот (рис. 7.6).

На индикаторе можно обнаружить пришедшие сигналы и измерить Для измерения не только радиальной скорости, но и дальности цели необходимо модулировать зондирующий сигнал по какому-либо параметру. Наиболее распространена импульсная модуляция амплитуды сигнала.

Сущность когерентных методов обнаружения движущихся целей при импульсном

Рис. 7.6. Спектры сигналов в характерных точках схемы на рис. 7.5

излучении сводится к сравнению (на когерентном, фазовом или синхронном детекторе) когерентных опорного и отраженного сигналов. Изменение фазовых соотношений этих сигналов при движении цели является принципиальной основой ОДЦ.

Рис. 7.7. Структурная схема когерентно-импульсного радиолокатора (а) и напряжения в характерных точках этой схемы (б): 1 - фазирование ГРЧ; 2 - свободные колебания

В когерентно-импульсном радиолокаторе (рис. 1.1,а), в отличие от радиолокатора с непрерывным излучением сигнала, используется одна антенна А с переключателем прием - передача (ППГТ) и так называемый когерентный гетеродин (КГ). Этот гетеродин необходим для формирования опорного непрерывного сигнала при воздействии на него импульсного сигнала ГРЧ.

Когерентность сигналов ГРЧ и КГ обеспечивает фазовая синхронизация (фазирование) колебаний КГ импульсами ГРЧ, большими по амплитуде (рис. 7.7, б).

При анализе работы когерентно-импульсных РЛС необходимо учитывать следующие особенности ОДЦ по сравнению с ОДЦ в режиме непрерывного излучения:

1) импульсный характер отраженного сигнала где

2) формирование опорного сигнала когерентным гетеродином

3) образование биения только при наличии отраженных импульсов, т.е. в интервалы времени и отсутствие биений на отрезках времени

Рис. 7.8. Векторные диаграммы сигналов на выходе элемента сравнения и характер выходных сигналов этого элемента до и после устранения постоянной составляющей при неподвижной (а) и движущейся (б) целях

В соответствии с этими особенностями изменяются векторные диаграммы и характер сигнала биений на нагрузке элемента сравнения сигналов (рис. 7.8). При неподвижной цели выходные сигналы представляют собой импульсы с неизменной амплитудой, а при движении ее импульсы, модулированные по амплитуде.

Анализ рис. 7.9 показывает, что для выделения сигналов движущейся цели из смеси с коррелированной пассивной помехой необходимо подавить на выходе фазового или когерентного детектора все сигналы, не изменяющиеся по амплитуде при переходе от одного периода повторения к другому (междупериодная обработка). С учетом различий спектрального состава таких сигналов следует с помощью режекторных (обеляющих) гребенчатых фильтров (РГФ) подавить все компоненты спектра, кратные частоте повторения

Рис. 7.9. Характер сигналов и спектров на выходе элемента сравнения сигналов при неподвижной (а) и движущейся (б) целях, а также при их смеси (в)