Глава 8. Борьба с активными помехами

Активные помехи, принятые антеннами РЛС, смешиваются на входе приемника с полезным сигналом и шумом, образуя входную реализацию. Основные особенности взаимодействий активных помех и полезных сигналов - полное или частичное их совпадение во времени, перекрытие по частоте и различие в направлениях прихода радиоволн. При совместной обработке полезных сигналов и помех необходимо учитывать, что и сигнал, и помеха представляют собой электромагнитные поля (волны). Следовательно, эти сигналы являются одновременно функцией времени, частоты, начальных фаз и амплитуд, а также направлений прихода сигналов (углов в пространстве) и параметров поляризации волны, т.е. являются пространственно-временными сигналами. После приема сигналов и помех антенной число параметров сокращается, поскольку параметры поляризации и направления прихода волн преобразуются в параметры электрического сигнала, снимаемого с антенны: амплитуду, разность фаз и т.п. Для выяснения потенциальных возможностей обработки пространственно-временных сигналов на фоне помех с учетом оптимального построения как антенной системы, так и устройства обработки в приемнике рассмотрим основные характеристики такой обработки.

8.1. Прием и обработка пространственно-временных сигналов

Пусть в пространстве элементы антенны располагаются в точках А, В и С, образуя на осях базы и (рис. 8.1). При значительном расстоянии до цели, расположенной в точке получаем и Поэтому траектории радиоволн, падающих в точки можно считать параллельными, т.е. Следовательно, разности хода траекторий радиоволн в плоскостях и

где - направляющие косинусы, характеризующие пространственное положение цели.

Если считать, что антенна согласована по поляризации с электромагнитным полем, то поле падающих радиоволн описывается скалярной функцией. Принимаемый сигнал в частотно-временной области характеризуется временной функцией и спектральной функцией (спектром) , которые связаны парой преобразований Фурье:

где мгновенная фаза сигнала и частота определены соотношениями

Диаграмма направленности антенны и распределение поля в раскрыве антенны также описываются парой преобразований Фурье:

и представляют собой функции направляющих косинусов или С и относительных координат элемента раскрыва антенны (так называемых пространственных частот) или Мгновенные пространственные частота и фаза

Безразмерная функция является спектром пространственных частот, по которому можно восстановить ДНА и найти угловые координаты цели. Эта функция показывает, как

Рис. 8.1. Геометрические особенности взаимного расположения антенн и цели поясняющие возникновение разности хода сигналов

взаимодействует падающая электромагнитная волна с антенной в каждой ее точке, и используется для нахождения амплитуды и фазы пространственно-временного сигнала, а также шума, принимаемого вместе с сигналом. Полученные таким образом сведения о сигнале и шуме позволяют синтезировать оптимальные или близкие к оптимальным устройства приема и обработки пространственно-временных сигналов на фоне действующей на антенну помехи.

Описание принимаемого сигнала. Воздействие сигнала в виде электромагнитной волны на апертуру антенны (рис. 8.2) можно рассмотреть, ограничившись классом симметричных относительно своих максимумов функций Такую электромагнитную волну можно представить дельта функцией направления на ее источник Следовательно, пространственный спектр волны равномерен, а напряженность поля в плоскости фронта волны постоянна. Ограниченный по пространству раскрыв антенны перехватывает часть фронта волны, пропорциональную и для определения направления на источник, т.е. необходимо выполнить обратное преобразование Фурье спектра пространственных частот и получить функцию Из-за ограниченности апертуры антенны диаграмма направленности имеет конечную угловую ширину и отличается от дельта-функции но по положению ДНА в пространстве можно определить направление на источник радиоволн.

Рис. 8.2. Функция распределения поля в раскрыве антенны и основные векторы, характеризующие направление прихода волны

Координаты точки раскрыва можно задать как или как причем Пространственно-временной сигнал формируемый в точке элементов антенны из действующего на него электрического поля , можно представить в виде

где имеют размерность напряженности электрического поля, причем где аналитический сигнал. Функция связывает амплитуду напряженности поля падающей волны и сигнала на выходе элемента антенны, а означает сдвиг начальной фазы.

При активной радиолокации излучается сигнал где отсчитывается от момента излучения сигнала. После отражения от точечной цели, находящейся в точке на расстоянии от центра апертуры (точка О), в точке антенны будет действовать поле отраженного сигнала напряженностью

где учтено время прохождения сигнала до цели и от цели до точки равное а также сдвиг фазы сигнала при отражении фотр

Коэффициент пропорциональности К учитывает изменение амплитуды сигнала при отражении и распространении.

При пассивной радиолокации за начало отсчета времени удобно принять момент прихода сигнала в геометрический центр антенны с координатами Тогда напряженность поля сигнала в точке

Учтем, что на плоскую антенну действуют только нормальная к раскрыву составляющая электрического поля, пропорциональная направляющему косинусу С.. Так как то Тогда комплексная огибающая напряженности поля сигнала на элементе апертуры с координатами х и у или

или

где постоянный размерный множитель, объединяющий все константы.

Свойства принимаемого антенной шума. Шум, действующий на раскрыв антенны, складывается из внешнего и внутреннего шумов. Внешний шум создается случайным электромагнитным полем, формируемым волнами, которые приходят от источников шума, находящихся в различных точках пространства, т.е. с разных направлений. Снимаемое с элементов апертуры антенны напряжение внешнего шума записываем в виде

Внутренний шум, отнесенный к элементам апертуры антенны с эффективной площадью не зависит от координат элемента раскрыва. Следовательно, шум на входе системы обработки определяется соотношением

а его спектральная плотность

Во всех дальнейших выкладках считаем, что внешний шум имеет равномерную спектральную плотность во всем диапазоне пространственных и временных частот, меньшую, чем у внутреннего шума системы, также равномерно распределенного по раскрыву антенны, т.е. и При таких предположениях входную реализацию записывают в виде т.е. она является функцией параметров волны.

Особенности обработки пространственно-временных сигналов. Обычно алгоритм оптимальной обработки пространственно-временных сигналов разделяют на пространственный и временной алгоритмы, выполняемые соответственно пространственным и временным фильтрами. Вначале производится оптимальная обработка сигнала в пространстве с помощью пространственного фильтра, осуществляемого соответствующим построением и настройкой антенной системы, а затем сигнал подвергается оптимальной обработке во временной области. Полученное распределение поля на апертуре антенны описывается спектром пространственных частот и Для определения направления на точку (см. рис. 8.2) нужно восстановить ДНА и по этому распределению поля.

Особенности пространственной обработки сигнала удобно рассмотреть на примере антенны с плоским раскрывом. Пусть в точке раскрыва

с координатами х,у принимается сигнал, который в соответствии с (8.26) можно представить в виде пространственной функции (временная обработка здесь не рассматривается, так как она известна из гл. 3):

Этот сигнал является спектром пространственных частот диаграммы направленности Как известно, коэффициент передачи оптимального фильтра или любой другой системы оптимальной обработки сигнала на фоне шума с равномерным спектром комплексно сопряжен со спектром принимаемого сигнала. Поэтому искомый оптимальный пространственный фильтр, восстанавливающий ДНА, должен иметь коэффициент передачи

где направляющие косинусы найденного фильтра (опорного сигнала); некоторые константы.

Тогда выходной сигнал антенной системы будет определяться произведением

Выходной сигнал точно настроенной антенной системы

где эффективная площадь антенны.

Таким образом, оптимальная пространственная обработка сводится к умножению на комплексный коэффициент передачи сигнала с каждого элемента раскрыва антенны, имеющего координаты или пространственные частоты . Для этого необходимо раздельно управлять амплитудой и фазой сигнала в каждой точке раскрыва антенны, чего можно достичь только в ФАР, элементы которой дискретно (с интервалами распределены по раскрыву. Предположим для простоты, что число элементов решетки равно нечетное число по координатам Тогда координаты элементов ФАР будут где номера элементов решетки по координатам

равны Следовательно, Поэтому коэффициент передачи имеет дискретный характер

где - направление приема, задаваемое настройкой значений соответствующих направляющих косинусов с помощью фазовращателей.

При (полуволновая антенная решетка) получаём Оптимальная пространственная обработка может быть реализована с помощью ФАР с использованием как фильтров, так и корреляторов.

В соответствии с (8.3) оптимальный пространственный фильтр имеет в канале обработки каждого элемента и т.д.) весовой усилитель или аттенюатор с коэффициентом передачи и фазовращатель для настройки на заданное направление приема сигналов. При корреляционной обработке весовые амплитудные множители и фазовые сдвиги вносятся с помощью сигнала гетеродина, а настройка на заданное направление - поворот главного лепестка ДНА - выполняется на промежуточной частоте.

Переход к ФАР требует существенного усложнения антенной системы за счет введения весовых усилителей, фазовращателей, системы управления фазовращателями и т.п. Вместе с тем положительные свойства ФАР, такие как электрическое сканирование луча, возможность формирования одновременно нескольких лучей, высокая надежность и т.п., привели к быстрому внедрению ФАР в практику радиолокации.