7.5. Реализация устройств подавления пассивных помех

Техническая реализация устройств подавления пассивных помех определяется используемой элементной базой и может быть либо аналоговой, либо цифровой.

В настоящее время используют исключительно цифровую элементную базу и технику реализации устройств подавления пассивных помех. Если оптимальные фильтры одиночных сигналов или фильтры внутрипериодной обработки часто выполняются как аналоговые устройства в приемном тракте с использованием УЛЗ на ПАВ (см. гл. 2), то осуществить междупериодную обработку на высокой или промежуточной частоте в приемном канале удается не всегда, из-за недостаточного быстродействия цифровых микросхем, и они реализуются в виде комплексных цифровых фильтров на видеочастоте.

Реализация алгоритмов ЧПВ в устройствах на промежуточной частоте существенно упрощается. При этом сигналы можно подавать непосредственно с УПЧ приемника и вычитать их на промежуточной частоте, т.е. с точностью до фазы заполнения импульсов. Однако такая реализация алгоритма ЧПВ требует высокой стабильности частоты заполнения и достаточного быстродействия устройств обработки.

Несмотря на то, что были разработаны РГФ, работающие на промежуточной частоте, например так называемые векторные компенсаторы или устройства с объединением выходов фильтров, имеющих разные АЧХ, в настоящее время используются исключительно цифровые

Цифровые РГФ подавления помех требуют предварительного преобразования сигналов в цифровую форму с помощью АЦП. В таких устройствах используется двойная дискретизация сигнала: по времени с дискретом и по уровню с квантом где среднеквадратическое значение шумового напряжения. При этом динамический диапазон а требуемое число двоичных разрядов кода Следовательно, отношение динамического диапазона сигналов или помех на входе к числу двоичных разрядов

При известном динамическом диапазоне число разрядов АЦП

Быстродействие АЦП определяется затратами времени на преобразование, которые должны быть меньше длительности временного дискрета, т.е. В настоящее время используются АЦП с быстродействием, характеризующимся частотой дискретизации например, фирмы имеет при 14 разрядах кода, динамическом диапазоне и частоте входного сигнала Если быстродействия АЦП недостаточно для преобразования сигналов промежуточной частоты, то переходят к ЦОДЦ и ЦРГФ в виде комплексных фильтров с двумя квадратурными каналами, в которые включены два АЦП.

После подавления помех используется оптимальная междупериодная обработка сигнала на фоне белого шума. Обычно в системах ЦОДЦ для этого применяют когерентное либо некогерентное накопление модулей или квадратов остатков вычитания. При когерентном накоплении вводится поправка в фазу сигнала для компенсации движения цели. В самом деле, если известна (измерена) доплеровская частота сигнала цели, то набег фазы за период повторения Пусть принимаемый сигнал в периоде повторения

где начальная фаза.

Набег фазы нужно компенсировать с помощью сигнала чтобы поэтому

где

Таким образом, в двух квадратурных каналах в периоде повторения по известному значению формируются поправки, обеспечивающие когерентность накопления.

При когерентном накоплении остатков вычитания в ЦОДЦ (см. рис. 7.17) помехи в квадратурных каналах подавляются ЦРГФ, содержащим общие для квадратурных каналов запоминающее (ЗУ) и арифметическое (АУ) устройства в каждом канале. После ввода компенсирующих поправок блоком БВП сигналы интегрируются цифровым полосовым гребенчатым фильтром (ЦПГФ), реализованным на процессоре и содержащим ЗУ для двух квадратурных каналов и АУ для каждого канала. Квадрирующие устройства обеспечивают на выходе сумматора квадрат амплитуды сигнала движущейся цели, а цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует цифровой код сигнала в импульс цели, который затем направляется на обнаружитель и индикатор.

Из-за сложности ввода компенсирующих поправок, особенно при одновременной обработке сигналов нескольких целей, необходимо перейти к многоканальным системам подавления помех. Структуру ЦОДЦ можно упростить, перейдя к некогерентному накоплению. В этом случае БВП, показанный на рис. 7.17, не требуется, и ЦПГФ подключается после объединения квадратурных каналов.

Рис. 7.17. Структурная схема цифрового ОДЦ с когерентным интегрированием остатков вычитания

Фильтровые устройства подавления помех. Реализация фильтровых устройств возможна на цифровых фильтрах с быстрым преобразованием Фурье (БПФ) или на микропроцессорах. Типовое фильтровое устройство ОДЦ (рис. 7.18) многоканально по дальности каналов) и

скорости (я каналов). Каналы дальности реализуются либо с помощью селекторов дальности в УПЧ, либо с помощью коммутации ячеек ОЗУ. Каналы скорости образуются цифровыми фильтрами с помощью БПФ. Селекторы дальности (СД) обеспечивают поступление в каждый из каналов сигналов только с одного элемента разрешения по дальности. Гребенка фильтров предназначена для селекции по скорости в пределах диапазона частот от до

В цифровом фильтровом устройстве ОДЦ с подавлением помех информация в ЦРГФ (рис. 7.18) записывается в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), а затем фильтруется на основе -точечного, алгоритма БПФ.

Качество работы устройства ОДЦ ограничивают априорная неизвестность и изменчивость статистических свойств пассивной помехи. Вследствие этого возникает необходимость в самонастраивающихся, или адаптивных системах ОДЦ. Наиболее часто приходится считаться с изменением средней частоты спектра и формой спектра пассивной помехи.

Рис. 7.18. Структурная схема цифрового фильтрового устройства ОДЦ

Устройства компенсации движения пассивной помехи. При движении радиолокатора относительно создающих пассивную помеху неподвижных объектов (например, при полете носителя радиолокатора и отражении сигналов от земной поверхности) составляющие спектра помехи сдвигаются на частоту Доплера и могут попасть в области прозрачности АЧХ устройства ЧПВ (ЧПК). В этом случае может сработать ОДЦ и возникнет ложная тревога.

Для компенсации доплеровского сдвига частоты пассивной помехи ("остановки помехи") вводят поправку в частоту сигнала когерентного гетеродина. При автоматическом вводе поправки (рис. 7.19) устройство ЧПК, работающее на промежуточной частоте, формирует сигнал, пропорциональный где доплеровский сдвиг частоты пассивной помехи. Для оценки необходимо усреднить по ансамблю значения сигналов, отраженных от одного и того же элемента разрешения по дальности. Однако в этом случае процесс оценивания, а следовательно, и адаптации затягивается на большое (не менее 10) число периодов

повторения. Считая помеху однородной и эргодичной по пространству, усреднение по времени заменяют усреднением по ансамблю множества соседних элементов разрешения.

Сигналы с фазового детектора вводят в линию задержки (ЛЗ), число отводов которой должно обеспечивать достаточность статистики помехи и лежит в пределах 8-64. Сигналы с отводов ЛЗ, задержка которых отличается на интервал времени соответствующий элементу разрешения по дальности, усредняются, и по полученной оценке с помощью схемы управления (СУ) формируется сигнал управляющий частотой перестраиваемого гетеродина.

Рис. 7.19. Структурная схема устройства автоматического ввода частотной поправки в сигнал когерентного гетеродина

Устройство ОДЦ с корреляционными обратными связями. Это устройство (рис. 7.20) выполняет череспериодное вычитание с весовыми коэффициентами, пропорциональными коэффициенту междупериодной корреляции помехи Выходной сигнал используется для формирования весового коэффициента Так как комплексные величины, а при перемножении их на необходимо получить вещественную величину, должен быть пропорционален величине, комплексно сопряженной с Входной сигнал умножается на и вычитается из задержанного сигнала Составляя уравнения функционирования схемы и считая пассивной помехой, получаем

где коэффициент усиления разомкнутой петли обратной связи. Отсюда

при

поэтому

Следовательно, и когда помеха сильно коррелирована остаток помехи стремится к нулю поскольку

Основным достоинством рассмотренной схемы с корреляционной обратной связью (КОС) является самонастройка на характеристики помехи или адаптация системы к ним, в результате чего система отслеживает изменения ширины спектра (корреляционной функции) помехи.

Для самонастройки на скорость движения помехи или, точнее, на доплеровский набег фазы за период повторения необходимо перейти к схеме с двумя квадратурными каналами, каждый из которых построен по схеме, показанной на рис. 7.20. К числу недостатков схемы с относится значительное время (несколько периодов повторения), необходимое для выработки установившегося значения междупериодной корреляционной функции пассивной помехи. Поэтому первые периоды повторения занимает процесс установления, и компенсация помехи оказывается недостаточной, что приводит к явлению неподавленной "кромки помехи".

Рис. 7.20. Структурная схема устройства ОДЦ с корреляционной обратной связью

Особенности устройств ОДЦ при работе радиолокатора в импульсном режиме. Основным фактором, влияющим на построение устройств ОДЦ при импульсном характере сигнала, является скважность зондирующего сигнала. При высокой скважности предпочтение отдают подавителям пассивных помех на базе устройств ЧПВ, а при малой скважности как правило, фильтровым устройствам подавления пассивных помех. В импульсных системах с малой скважностью выбор частоты повторения зондирующих импульсов связан с широкополосностью отраженных от подстилающей поверхности пассивных помех.

Пусть летящий над земной поверхностью ЛА оборудован радиолокатором, ДНА которого состоит из главного лепестка и множества боковых (рис. 7.21, а). Цель находится в главном лепестке ДНА, а отраженные от земной поверхности сигналы принимаются всеми ее лепестками. Для расчета спектра отраженных сигналов можно использовать простейшую аппроксимацию реальной ДНА главным лепестком и сплошной сферой боковых лепестков.

Компоненты спектра отражения при излучении импульсного сигнала малой скважности и аппроксимированной ДНА состоят из пьедестала, обязанного отражениям по сфере боковых лепестков, и гребня, обязанного главному лепестку. Протяженность спектра (от до ) определяется скоростью перемещения антенны относительно подстилающей поверхности. Поэтому при размещении радиолокатора на автотранспорте и морском транспорте спектр пьедестала помех получается узким, в то время как при размещении радиолокатора на самолетах и вертолетах спектр помех расширяется.

При поиске целей в передней полусфере на встречных курсах, доплеровская частота сигнала цели больше доплеровской частоты сигналов, отраженных от Земли. Тогда для обнаружения сигнала в "окне", свободном от помех, обусловленных земной поверхностью, нужно выполнить условия:

Второе условие не зависит от параметров радиолокатора, а первое дает соотношение для выбора частоты повторения:

При небольшой скорости относительного движения радиолокатора и цели получаются низкие значения обеспечивающие однозначность измерения дальности. Такие системы называются системами малой скважности с низкой частотой

Рис. 7.21. Реальная ДНА бортового радиолокатора (а), ее аппроксимация (б) и спектры принимаемых сигналов (в)

повторения (НЧП). При скоростных целях и быстром движении радиолокатора получаются высокие сотен килогерц) частоты повторения, позволяющие однозначно измерять скорости, но не обеспечивающие однозначного измерения дальности. Такие системы называются системами малой скважности с высокой частотой повторения (ВЧП), квазинепрерывными или импульсно-доплеровскими. Промежуточное место занимают импульсные системы со средней частотой повторения (СЧП).