ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СОГЛАСОВАННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ И СЖАТИЯ ИМПУЛЬСОВ

1.1. Введение

В начале развития радиолокации было широко распространено деление радиолокационных систем на две основные категории.

В соответствии с этим радиолокатор являлся либо системой с непрерывным излучением, обладающей большими возможностями по измерению скорости (или допплеровского сдвига), либо импульсной системой, эффективно измеряющей дальность и имеющей хорошую разрешающую способность по дальности. В импульсных радиолокационных системах параметры передаваемого импульса обычно представляли собой компромисс между желанием получить лучшее разрешение по дальности (что связано с необходимостью иметь возможно меньшую длительность импульса) и стремлением добиться максимально возможной дальности обнаружения (что требует максимизации энергии импульса за счет использования как можно более длительных импульсов).

Попытки удовлетворить этим противоречивым требованиям одновременного обеспечения разрешения по дальности и максимальной дальности обнаружения часто заставляли идти на компромисс при решении и других вопросов, связанных с разработкой радиолокатора. Одним из примеров его является уменьшение скорости обзора исследуемого пространства антенной радиолокатора с тем, чтобы получить большее число импульсов, отраженных от объекта. Максимальная дальность обнаружения при этом могла увеличиваться за счет использования методов накопления импульсов (интегрирования).

Разработка радиолокационной системы обычно начинается

с исследования ограничений, накладываемых уравнением дальности радиолокации, которое имеет вид

или

где передаваемая мощность; принимаемая мощность; коэффициент усиления передающей и приемной антенн; X — длина волны излучаемого сигнала; а — эффективная площадь рассеяния объекта; расстояние между радиолокатором и отражающим объектом; максимальная дальность обнаружения и минимальный обнаружимый сигнал.

Используя уравнения (1.1а) или (1.16), разработчик радиолокатора может взвесить достоинства возможных компромиссных решений, которые позволяют достигнуть требуемых результатов.

С развитием радиолокационной техники наметился постепенный переход от разработки устройств, единственным критерием качества которых была их работоспособность, к созданию систем, способных обеспечить оптимальную или близкую к ней обработку сигналов. Возникли новые концепции, которые заложили основы теории построения сигналов как неотъемлемой части теории радиолокационных систем. Одним из примеров применения этой теории для частной задачи служат импульсные допплеровские системы, в которых была предпринята попытка обеспечить одновременное точное измерение скорости (или разрешение по скорости) и разрешение по дальности. Это явилось предвестником более поздних работ, основанных на использовании сложных сигналов в виде последовательностей импульсов. Однако лишь в фундаментальной монографии Вудворда 111 были систематизированы исследования в различных областях теории радиолокационных сигналов, которые начали развиваться в послевоенный период. Эта работа позволила установить, что форма сигнала является дополнительным параметром при разработке радиолокатора и что такие характеристики радиолокационной системы, как разрешение по дальности, могут определяться не только средней излучаемой мощностью и длительностью излучаемого импульса, но и формой сигнала.

Применительно к уравнению радиолокации (1.1а) или (1.16) основные идеи, развитые Вудвордом, означают, что длительность излучаемого импульса может быть выбрана настолько большой, насколько это необходимо для удовлетворения энергетических требований, предъявляемых к системе (например, для наиболее полного использования характеристик, имеющихся в мощных каскадах передатчика ламп). После удовлетворения требований к

характеристикам обнаружения можно обеспечить условия для получения необходимого разрешения по дальности за счет кодирования излучаемого сигнала с помощью широкополосной модуляции. Одним из наиболее важных вкладов Вудворда в развитие современной радиолокации было установление того, что разрешение по дальности и точность измерений определяются шириной полосы сигнала, а не длительностью излучаемого импульса.

Для извлечения широкополосной информации, содержащейся в сигнале описываемого типа, требуется использовать более сложные приемные системы по сравнению с системами для простого импульсного радиолокатора. Такие приемные системы получили название систем обработки сигнала с помощью согласованных фильтров или систем согласованной фильтрации сигнала. Термин «обработка сигнала» в общем случае подразумевает операции, выполняемые над принимаемым сигналом в высокочастотных каскадах или в каскадах на промежуточной частоте радиолокационного приемника, и отличается от термина «обработка данных», который обычно связан с операциями над продетектированным радиолокационным сигналом.

Возможность варьировать и подбирать в соответствии с теми или иными требованиями различные характеристики радиолокационного сигнала является важным фактором развития современных радиолокационных систем, использующих сложные методы обработки сигналов. Соответствующие современному уровню развития радиолокационных систем методы обработки сигналов широко известны как методы сжатия импульсов, согласованная фильтрация или методы кодирования сигналов [2-4]. Назовем некоторые из основных практических соображений в пользу развития этих методов, хотя такой перечень, конечно, не будет исчерпывающим. При помощи этих методов достигается:

1. Более эффективное использование средней мощности, которую можно получить от радиолокационного передатчика, а иногда и возможность избежать трудностей, связанных с ограничением пиковой мощности в мощных каскадах радиолокационного передатчика.

2. Более высокая разрешающая способность как по дальности, так и по скорости. При стремлении обеспечить высокую разрешающую способность по дальности с помощью использования методов сжатия импульса можно обойти затруднения, связанные с генерированием сигналов, имеющих очень крутые фронты импульсов и высокую пиковую мощность.

3. Повышение помехоустойчивости по отношению к определенным типам интерферирующих сигналов, свойства которых отличаются от свойств кодированных сигналов.

4. Извлечение информации из сигналов, поступающих на вход приемника, что позволяет оценить такие важные параметры, как дальность, скорость и, возможно, ускорение объектов, от

которых отражены отдельные сигналы. Этот вид обработки радиолокационных сигналов называется оценкой параметров.

На рис. 1.1 показана упрощенная форма радиолокационной системы, в которой методы кодирования сигналов использованы для реализации указанных выше возможностей. Поскольку задачей настоящей книги является развитие идей и принципов, необходимых для понимания и сознательного применения специфических методов обработки радиолокационных сигналов (согласованная фильтрация со сжатием импульса), мы особенно подробно рассмотрим теоретические вопросы, связанные с теми элементами схемы на рис. 1.1, которые обозначены как «схема формирования кодов» и «декодирующее устройство», а также возможные пути их реализации.

Рис. 1.1. Блок-схема радиолокационной системы с кодированными сигналами.

Изложенный в книге материал может быть разбит на три основных части. В первых пяти главах рассматриваются общие теоретические вопросы, связанные с методами согласованной фильтрации. Изложена сущность принципа согласованной фильтрации и дана история развития методов сжатия импульса; приведены различные критерии качества функционирования системы, использование которых приводит к необходимости применять согласованную фильтрацию. Подробно рассматриваются: 1) принцип стационарной фазы, имеющий большое значение и применяемый для вывода приближенных соотношений, связывающих частотно-модулированный кодированный сигнал и согласованный с ним фильтр; 2) функция неопределенности радиолокационного сигнала и ее применение в качестве критерия при формировании радиолокационного сигнала; 3) теория оценки параметров и связь характеристик кодированного сигнала с результатами радиолокационных измерений.

В гл. с 6 до 10 изложены вопросы, относящиеся к специфическим радиолокационным сигналам. Особое внимание уделяется ЛЧM сигналам, так как во многих отношениях именно они являются каноническими сигналами, позволяющими осуществить сжатие импульса с помощью согласованной фильтрации. Среди всех сигналов с большим значением произведения длительности на полосу частот, которые были предложены для использования в радиолокации, ЛЧM сигналы нашли наиболее широкое применение и им уделено самое большое внимание при создании элементов устройств для генерирования и приема сигналов.

Дискретно-кодированные сигналы, которые здесь противопоставляются непрерывным ЧМ сигналам, рассматриваются как единый класс сигналов в гл. 8. Некоторые из них представляют собой дискретную аппроксимацию хорошо известных ЧМ сигналов, в то время как другие не имеют вообще никакой связи с классом ЧМ сигналов. Теория оценки параметров как критерий при построении сигналов исследуется в гл. 9, где теоретические соотношения, полученные в гл. 5, применяются к некоторым сигналам, рассмотренным в других главах. Гл. 10 посвящена рассмотрению критериев построения сигналов в некоторых задачах с множественными и пространственно-распределенными целями. В последних четырех главах (11—14-я) исследуются различные практические проблемы, связанные с реализацией согласованных фильтров. Сюда входит учет воздействия искажений, изучение методов обработки сигналов при помощи линейных фильтров с задержкой сигнала на большие отрезки времени и ультразвуковых линий задержки, а также применение оптических и СВЧ методов для построения согласованных фильтров.

Приведенный материал рассчитан на то, чтобы дать инженерам и студентам основные понятия о принципах формирования радиолокационных сигналов и, кроме того, обеспечить специалистов, заинтересовавшихся этим вопросом, необходимым фундаментом для последующего изучения более сложных задач в области исследования методов обработки сигналов и их приложений.