5.3. ЧЕРЕСПЕРИОДНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ ПОМЕХ

1. Череспериодная компенсация помех, обусловленных отражениями радиолокационных сигналов от неподвижных объектов

Устройства чересперйодной компенсации являются разновидностью систем селекции движущихся целей и находят применение в импульсных радиолокационных станциях с большой скважностью импульсов для подавления в

приемнике сигналов, порождаемых отражениями радиоволн от облаков дипольных отражателей подстилающей поверхности и различных неподвижных сооружений на земле.

Если проанализировать сигналы, поступающие в приемник РЛС от перемещающейся цели и неподвижного объекта, то можно убедиться в следующем. При формировании в передатчике РЛС импульсного напряжения

где амплитуда и угловая частота; и длительность и период повторения импульсов; сигнал действующий на входе приемника за счет отражения от неподвижного объекта, будет изменяться по закону

Здесь амплитуда напряжения фаза, определяемая свойствами отражающего объекта и временем распространения радиоволн от РЛС до неподвижного объекта и обратно.

В то же время напряжение на входе приемника, обусловленное отражениями радиосигналов от подвижной цели без учета обычно имеющихся амплитудных и фазовых флуктуаций и при условии, что радиальная скорость движения цели относительно РЛС постоянна:

где амплитуда; допплеровская частота; фаза, связанная со свойствами цели и распространением радиоволн от РЛС до подвижной цели и обратно.

Так как несущая частота импульсов остается равной а несущая частота напряжения отличается от на или в зависимости от направления движения цели, то появляется возможность компенсировать сигналы, поступающие от неподвижного объекта и представляющие собой помехи для РЛС. Такая компенсация, называемая череспериодной, осуществляется в тракте промежуточной частоты приемника или на видеочастоте.

Функциональная схема устройства, обеспечивающего череспериодную компенсацию помех в тракте промежуточной частоты, показана на рис. 5.23 [147]. Здесь напряжение , формируемое усилителем промежуточной частоты

Рис. 5.23.

(на рис. 5.23 не показан), подается на ультразвуковую линию задержки ЛЗ и усилитель Линия задержки обеспечивает задержку выходных импульсных сигналов на время равное периоду повторения зондирующих импульсов РЛС. Выход ЛЗ связан с усилителем Напряжения с подаются на вычитающее устройство и далее на фазовый детектор (ФД), куда поступает также опорное напряжение к Последнее должно быть когерентным с сигналом промежуточной частоты

Когерентность напряжений может обеспечиваться генераторами, входящими в состав РЛС, или благодаря использованию сигналов, поступающих от неподвижных объектов. В соответствии с этим различают РЛС с внутренней и внешней когерентностями [147]. Типовая схема приемо-передатчика РЛС с внутренней когерентностью при генерировании высокочастотных колебаний магнетроном показана на рис. 5.24.

Часть сигнала, вырабатываемого магнетронным генератором работой которого управляют импульсный модулятор и генератор пусковых импульсов подается на смеситель куда поступает также напряжение стабильного местного гетеродина На выходе смесителя образуется сигнал промежуточной частоты сопр, синхронизирующий фазу колебаний когерентного гетеродина Одновременно связан со смесителем второй вход которого соединен с антенным переключателем (АП), пропускающим на принимаемые антенной А сигналы.

Рис. 5.24.

Выходное напряжение имеет частоту Это напряжение подается на УПЧ.

Если РЛС облучает подвижную цель, то высокочастотный сигнал на входе приемника определяется соотношением (5.3.3.). Этот сигнал после прохождения им смесителя и УПЧ преобразуется в напряжение промежуточной частоты:

Здесь амплитуда и начальная фаза напряжения причем зависит от и фазово-частотной характеристики трактов высокой и промежуточной частот приемника.

На выходах при допущении, что ЛЗ и с одной стороны, а также с другой стороны, имеют одинаковые коэффициенты передачи и не изменяют фазы сигнала будем иметь напряжения равные

При этом представляет собой импульс, действующий на выходе УПЧ в данный момент времени определяет импульс, существующий одновременно с но порожденный предыдущим зондирующим сигналом РЛС. Вычитающим устройством формируется напряжение

Учитывая, что опорное напряжение равно сопр а фазовый детектор выполняет операцию умножения входных сигналов и выделения напряжения разностной фазы, находим

Здесь коэффициент передачи фазового детектора.

Полученное напряжение является гармоническим в пределах длительности импульса имеет частоту и амплитуду, равную

Если бы на вход приемника РЛС поступал сигнал от неподвижной цели стой же интенсивностью, что и от подвижного объекта, то и

Напр яжение определяемое формулой (5.3.10), не зависит от времени в пределах существования импульса и равно нулю при где Последнее условие означает, что полная компенсация сигналов, обусловленных отражениями электромагнитных волн от неподвижных объектов, возможна лишь в тех случаях, когда промежуточная частота сопр кратна периоду повторения зондирующих импульсов.

При получении формул (5.3.8) и (5.3.10) предполагалось, что ЛЗ обеспечивает задержку входных сигналов точно на период их повторения. На практике это обычно не выполнимо. Высокое качество подавления мешающих воздействий обеспечивается при ошибке задержки входного сигнала, не превышающей нескольких процентов от периода Если, например, погрешность то величина должна составлять Удовлетворение такому требованию и реализация на практике равенства вызывают необходимость создания весьма сложного устройства компенсации, снабженного хорошо работающими системами автоматического регулирования его параметров и характеристик РЛС. Это ограничивает применение устройств череспериодной компенсации в тракте УПЧ.

Устройства череспериодной компенсации помех на видеочастоте разрабатываются в соответствии с функциональной схемой, приведенной на рис. 5.25. Здесь напряжение поступающее на модулятор формируется фазовым детектором. На этот детектор подаются опорное напряжение и сигнал непосредственно с выхода УПЧ радиолокационного приемника. Если

Рис. 5.25.

а на выходе УПЧ приемника образуется импульсный сигнал обусловленный отражением радиоволн от неподвижного объекта и равный

где амплитуда и начальная фаза напряжения . то фазовый детектор сформирует импульсы постоянного тока

с неизменной величиной созфнш длительностью и периодом повторения

При приеме сигналов от подвижной цели УПЧ вырабатывает напряжение, определяемое формулой (5.3.4). Поэтому на выходе фазового детектора образуется импульс

с длительностью

Если длительность импульса достаточно мала по сравнению с величиной то напряжение обусловленное движущейся целью, представляет собой видеоимпульсы, различные по высоте, зависящей от Огибающая такого импульса определяется функцией В пределах выполняется приближенное равенство а высоту импульса с номером можно считать равной

В РЛС с внешней когерентностью вместо фазового может использоваться амплитудный детектор. Он при одновременном приеме сигналов, поступающих от подвижной цели и неподвижного объекта, вырабатывает импульсы, модулированные по амплитуде, а при действии на РЛС импульсов, обусловленных только неподвижным объектом, формирует

сигналы с неизменной амплитудой. При применении амплитудного детектора РЛС часто называют некогерентными.

Анализ формул (5.3.11) и (5.3.12) приводит к выводу, что, осуществив на время задержку импульсов, формируемых фазовым детектором, и образовав разность между задержанными и незадержанными импульсами фазового детектора, можно компенсировать сигналы, обусловленные в РЛС отражениями от неподвижных объектов. Время составляет несколько сотен и более микросекунд. Поэтому для задержки импульсов приходится использовать ультразвуковые линии, питание которых необходимо осуществлять импульсными сигналами с несущими частотами [147]. Формирование таких сигналов и осуществляет модулятор в схеме на рис. 5.25. Модулируемым является гармоническое напряжение с частотой вырабатываемое генератором (Г).

Напряжение модулированное по амплитуде в общем случае биполярными импульсами и представляющее собой пакеты синусоидальных колебаний с постоянной длительностью и периодом следования подается на ультразвуковую ЛЗ и усилитель . С помощью ЛЗ осуществляется задержка выходных сигналов на время а назначение усилителей то же самое, что и в схеме на рис. 5.23.

Детекторами и выходные напряжения усилителей У], и преобразуются в видеоимпульсы, которые воздействуют на вычитающее устройство Последнее при идеальной работе всех элементов вырабатывает видеоимпульсы, характеризующие подвижные цели, и обеспечивает нулевое выходное напряжение при поступлении на РЛС сигналов от неподвижных объектов. Выходные импульсы являются биполярными и изменяющимися во времени по амплитуде. Если для работы РЛС необходимы однополярные импульсы, то после устанавливается соответствующий преобразователь сигналов.

К устройствам компенсации помех на видеочастоте предъявляются менее жесткие требования, чем к устройствам, обеспечивающим чересперйодную компенсацию в трактах УПЧ приемников. Главные из этих требований сводятся к следующему

— ошибка во времени задержки сигнала должна составлять малую часть от длительности импульса (порядка а не от периода как в системе компенсации на промежуточной частоте;

— допускается незначительная разница в коэффициентах передачи устройств, преобразующих незадержанный импульс и осуществляющих задержку сигналов.

Реализация второго требования облегчается системой АРУ, работающей под действием выходного напряжения и регулирующей коэффициент передачи усилителя а удовлетворению первого требования способствует так называемый генератор пусковых импульсов [1471. Последний формирует периодически следующие во времени импульсы, моменты возникновения которых автоматически регулируются напряжением Этими импульсами открывается модулятор на рис. 5.25 и синхронизируется работа всей РЛС.

Из имеющихся в литературе данных (см., например, [147]) следует, что нескомпенсированный остаток напряжения помех, обусловленных отражениями от неподвижных объектов, может составлять всего

Более детально основные свойства метода череспериодной компенсации на видеочастоте выявляются при рассмотрении компенсирующего устройства с линией задержки в качестве линейного фильтра. При этом для простоты рассуждений целесообразно считать, что импульсы с фазового детектора поступают на вход линии задержки ЛЗ (рис. 5.25). Усилитель обеспечивает безыскаженную передачу незадержанных импульсов , а ЛЗ совместно с производит лишь задержку на время Та. Напряжение при приеме сигналов от цели, перемещающейся с постоянной радиальной скоростью относительно РЛС, определяется соотношением (5.3.12). Задержанные с помощью импульсы можно записать в виде

Вычитающее устройство вырабатывает импульсы

Сравнение (5.3.12) и (5.3.14) показывает, что отношение амплитуд для напряжений равно

Заменкй в этом соотношений на текущее значение частоты находим амплитудно-частотную характеристику

фильтра, характеризующего селективные свойства устройства череспериодной компенсации помех. Графически зависимость показана на рис. 5.26 (кривая из которого следует, что постоянное напряжение и гармоники частоты следования импульсов, равной 1/Т, этим фильтром не пропускаются. Но нефлуктуирующие и существующие бесконечное время импульсные сигналы, обусловленные отражениями радиоволн от неподвижных объектов как раз и характеризуются линейчатым амплитудным спектром с составляющими, частоты которых равны Импульсы, которые порождаются движущимися целями, модулированы по амплитуде и составляющие их спектра не подавляются. Однако неподавление полезных сигналов череспериодным компенсатором наблюдается не всегда. Оно появляется при движении цели относительно РЛС с так называемой слепой скоростью Последняя определяется исходя из условия и равна

Слепые скорости ограничивают работу РЛС с системой селекции движущихся Целей но в настоящее время известны способы борьбы с этим эффектом

При работе РЛС в режиме обзора в заданном секторе пространства на приемник действуют пачки импульсов, поступающих от ограниченных по размерам неподвижных объектов. В силу различия амплитуд соседних импульсов в пачке нельзя добиться полной компенсации мешающих воздействий особенно импульсов, действующих на краях пачки. Со спектральной точки зоения это объясняется тем, что спектр

Рис. 5.26.

пачки не является линейчатьтм, а около каждой гармоники частоты следования импульсов в пачке появляются нижние и верхние боковые составляющие, из-за которых образуются сплошные амплитудно-частотные спектры с центральными частотами и шириной, возрастающей по мере уменьшения числа импульсов в пачке. Поэтому фильтр с амплитудно-частотной характеристикой, показанной на рис. 5.26 (кривая 1), не в состоянии полностью подавить сигналы, поступающие от неподвижных объектов.

Улучшить качество подавления помех, спектр которых не является «чисто» линейчатым, помогает устройство с двукратной череспериодной компенсацией. Оно представляет собой два последовательно соединенных устройства, со схемой, изображенной на рис. 5.25.

При двукратной череспериодной компенсации амплитудно-частотная характеристика компенсирующего фильтра имеет вид [167]

Графическая зависимость изображенная на рис. 5.26 (кривая 2), показывает, что данный фильтр имеет большую область частот, при которых

Несмотря на очевидные достоинства, схеме двукратной череспериодной компенсации свойственны два серьезных недостатка: она очень сложна в реализации и при ее использовании возрастает количество слепых скоростей, т. е. ухудшаются условия обнаружения целей по сравнению с тем, что имеет место при обычной (однократной) череспериодной компенсации.

Дальнейшее повышение эффективности устройств однократной и двукратной череспериодной компенсации обеспечивается за счет охвата устройства компенсации цепями отрицательной обратной связи [147, 167] и создания устройств с корреляционными обратными связями. Устройства последнего типа рассмотрены в [167] и аналогичны проанализированным в предыдущем параграфе системам компенсации помех с квадратурными преобразователями.

Спектральный анализ системы череспериодной компенсации показывает, что она по своим свойствам эквивалентна фильтру с гребенчатой амплитудно-частотной характеристикой. Чем ближе к прямоугольной форма каждого зубца «гребенки», имеющего нулевые значения вблизи частот тем эффективнее система СДЦ. Эта эквивалентность

открывает возможности создавать так называемые фильтровые системы селекции движущихся целей, реализуемые на базе резисторов, конденсаторов и индуктивностей без применения вычитающих устройств.

Помимо отмеченного выше на качество устройств череспериодной компенсации помех в РЛС с внутренней когерентностью оказывают влияние следующие основные факторы:

— нестабильность частоты магнетронного передатчика, а также местного стабильного и когерентного гетеродинов;

— нестабильности частоты следования и длительности зондирующих импульсов;

—флуктуации принимаемых радиосигналов, обусловленные свойствами подстилающей поверхности (волнение акватории, колебательные движения растительного покрова под действием ветра и т. п.);

— флуктуации принимаемых сигналов за счет пространственного сканирования антенны РЛС.

Детальный анализ влияния этих факторов на работу РЛС с системами СДЦ имеется во всех современных учебниках и учебных пособиях по радиолокации и здесь из-за ограниченности объема книги не приводится, а даются лишь основные результаты анализа, заимствованные из книг 133, 1471.

Эффективность устройств череспериодной компенсации помех оценивается обычно коэффициентом подпомеховой видимости [167]. Под ним для практически линейной системы понимают число, равное

где коэффициент прохождения сигнала через устройство компенсации; и амплитуды напряжений, вырабатываемых вычитающим устройством и фазовым детектором при поступлении на них сигналов от движущейся и неподвижной целей соответственно; — коэффициент подавления помехи устройством компенсации; мощности помех на входе и выходе устройства компенсации соответственно.

Иногда наряду с вводят в рассмотрение коэффициент череспериодной компенсации, определяемый отношением

где средняя амплитуда импульса на выходе вычитающего устройства.

Исследование влияния нестабильностей частот в магнетронном генераторе, стабильном местном гетеродине и когерентном гетеродине РЛС с внутренней когерентностью и когерентным гетеродином (рис. 5.24) позволяет с использованием критерия коэффициента череспериодной компенсации получить следующие результаты для устройств компенсации помех на видеочастоте и получения однополярных импульсов после вычитающего устройства [147].

При наличии нестабильности частоты местного стабильного гетеродина и абсолютно стабильной работе магнетронного генератора и когерентного гетеродина за время величина Следовательно, допустимое значение нестабильности не должно превышать например, при должно выполняться неравенство Гц. Точно такие же требования предъявляются и к стабильности частоты когерентного гетеродина. Если нестабильно работает только магнетронный генератор, то где — уход частоты магнетронного генератора за период следования импульсов. Когда же все генераторы идеально стабильны, но когерентный гетеродин расстроен на то

При изменении схемы приемопередатчика РЛС результаты получаются иными. Однако практически всегда требуются высокие стабильности работы генераторов в РЛС с системами СДЦ и внутренней когерентностью.

Нестабильность частоты следования зондирующих импульсов при фиксированном времени задержки Та приводит к появлению некомпенсированного остатка помехи в течение времени где . Поэтому при прямоугольной форме импульсов, вырабатываемых фазовым детектором, например, при допустимо значение

Подобным же образом проявляется нестабильность длительности зондирующих импульсов. Фаза и амплитуда сигналов, поступающих от таких неподвижных объектов, как морская поверхность, растительность на земле и т.п., флуктуируют от импульса к импульсу. Это приводит к расширению спектра в диапазоне допплеровских частот и появлению нескомпенсированной помехи на выходе компенсирующего устройства. Если работу последнего при однократной

периодной компенсации оценивать коэффициентом подавления помехи, то можно найти [147]

где несущая частота РЛС, а параметр, величина которого определяется видом неподвижного объекта и зависит от Так, при для холма с редким лесным покровом в спокойный день а для морской поверхности в ветреный день

Анализ формулы (5.3.20) при различных значениях показывает, что может достигать нескольких десятков децибел. При этом наименьшие значения получаются при приеме сигналов от дождевых облаков, а наибольшие в тех случаях, когда мешающими являются сигналы, отраженные от холмов с редким лесным покровом в спокойный день.

При перемещении луча антенны во время обзора ею пространства общее число элементарных отражателей, образующих неподвижный объект и облучаемых антенной практически постоянно от импульса к импульсу, а их положение относительно антенны изменяется. Вследствие этого приходящие в РЛС сигналы будут флуктуировать по амплитуде и фазе, что приводит к расширению спектра помеховых сигналов и нескомпенсированному их остатку. С ростом числа импульсов поступающих на вход приемника РЛС за время, которое диаграмма направленности проходит при сканировании свою ширину, коэффициент возрастает. Если череспериодная компенсация помех является однократной, то при изменении от 5 до 100 и диаграмме направленности, описываемой гауссовой кривой, величина изменяется в диапазоне от 10 до [147]. Устройство с двухкратной череспериодной компенсацией повышает при прочих равных условиях практически вдвое (в децибелах).

Чтобы устранить влияние флуктуаций принимаемого сигнала за счет сканирования антенны, целесообразно применять следующий режим обзора: луч антенны остается неподвижным в каждом частном угловом секторе на время, при котором обеспечивается получение требуемого количества импульсов для обнаружения цели, а затем скачкообразно переходит в очередное угловое положение, где снова фиксируется по положению на время, необходимое для

наблюдения цели. Другой отличный от описанного выше способ уменьшения некомпенсированного остатка помех при сканировании (обзоре) антенны, описан в [147].

Для РЛС с внешней когерентностью при использовании в них амплитудных детекторов, предназначенных для преобразования сигналов промежуточной частоты в видеоимпульсы и управления устройством череспериодной компенсации, кроме необходимости иметь требуемые передаточные функции (рис. 5.23), характерным является следующее. При одновременном приеме интерферирующих сигналов, которые поступают от неподвижного объекта и перемещающейся цели, выходные импульсы детектора будут иметь изменяющуюся во времени огибающую. Сказанное означает, что в данном случае обычный амплитудный детектор обладает свойством фазочувствительного элемента.

Если на вход РЛС поступают сигналы отраженные только от неподвижного объекта или только от подвижной цели, то при отсутствии амплитудных флуктуаций у принимаемых сигналов и наличии системы АРУ в РЛС амплитудный детектор формирует неизменные по амплитуде импульсы, которые подавляются устройством череспериодной компенсации помех. Вследствие этого подвижная цель, находящаяся в пространстве, где нет объектов, которые формируют мешающие воздействия, может быть потеряна радиолокационной станцией.

Чтобы цель не потерялась, в состав РЛС рекомендуется включать анализатор помехи и коммутатор выходного напряжения. Наличие помехи фиксируется на основании превышения заранее заданного уровня амплитудами импульсов, формируемых амплитудным детектором в течение установленного времени. При отсутствии помехи устройство компенсации отключается, а при наличии — подключается.

Весь приведенный выше анализ основывался на том, что РЛС с системой СДЦ неподвижная. Если РЛС устанавливается на борту корабля или самолета, то появляется радиальная скорость сближения РЛС с неподвижным объектом. Вследствие этого отражаемые от него радиосигналы приобретают допплеровский сдвиг несущей частоты и неподвижный объект можно считать подвижным. Однако допплеровская частота сигнала, поступающего от подвижной цели, обусловливается как ее скоростью движения, так и скоростью перемещения РЛС. В то же время допплеровский сдвиг частоты сигналов, отражаемых неподвижным

объектом, определяется лишь скоростью движения РЛС и ее положением относительно неподвижного объекта. Это различие позволяет выделить сигналы, отраженные от неподвижного объекта и осуществить их компенсацию; причем чем больше отличается допплеровская частота сигналов от подвижных и неподвижных объектов, тем проще решается задача о компенсации помех.

Чтобы в перемещающейся РЛС с внутренней когерентностью осуществить череспериодную компенсацию помех, обусловленных неподвижным объектом, необходимо предварительно компенсировать допплеровский сдвиг частоты сигналов, поступающих от неподвижного объекта. Решение такой задачи в РЛС с когерентным гетеродином сводится к изменению его частоты в соответствии с законом изменения радиальной скорости сближения РЛС с неподвижным объектом. Для этого выходное напряжение когерентного гетеродина подключается не к фазовому детектору, а к устройству, функциональная схема которого представлена на рис. 5.27.

Как видно из рис. 5.27, напряжение и сигнал с компенсирующего генератора допплеровских частот одновременно поступают на смеситель (См). Компенсирующий генератор формирует колебания, частота которых изменяется под действием управляющего напряжения «упр которое изменяется во времени так, чтобы на выходе образовывалось гармоническое напряжение с допплеровской частотой обусловленной относительным перемещением РЛС и неподвижного отражающего объекта.

Смеситель, осуществляя перемножение напряжения вырабатывает сигнал, содержащий две составляющие. Одна из них изменяется по гармоническому закону с частотой а другая — с частотой , где промежуточная частота радиолокационного приемника.

Фильтр выделяют составляющую напряжения с частотой Благодаря этому фазовый детектор РЛС, на который воздействуют напряжения с выхода УПЧ приемника и формирует импульсы с амплитудами, не изменяющимися во времени при приеме сигналов от

Рис. 5.27.

неподвижного объекта. Тем самым компенсируется собственная скорость движения РЛС относительно неподвижного объекта при фиксированном положении приемной антенны.

При работе РЛС в режиме обзора пространственное положение ее антенны изменяется, что приводит к зависимости от времени даже при постоянной радиальной скорости сближения РЛС с неподвижным объектом. Это получается при условии, что антенна РЛС имеет сравнительно широкую диаграмму направленности и приводит к существенным трудностям компенсации допплеровских частот, обусловленных отражениями от неподвижных объектов при использовании движущейся РЛС. Из сказанного выше следует необходимость формировать напряжение с учетом поступательной скорости перемещения РЛС и пространственного положения антенны при приеме ею сигналов, отражаемых неподвижным объектом и подлежащих череспериодной или фильтровой компенсации.

Если в подвижной РЛС с системой СДЦ используется принцип внешней когерентности, то условия компенсации и выполняются автоматически без привлечения компенсирующего сигнала допплеровских частот. С этой точки зрения РЛС с внешней когерентностью более целесообразны, чем с внутренней. Однако для РЛС с внешней когерентностью необходимы достаточно мощные сигналы, поступающие на вход приемника от неподвижных объектов.

Рассмотренные выше нестабильности генераторов РЛС и флуктуации сигналов влияют также и на работу подвижных РЛС, в частности РЛС, устанавливаемых на самолетах. На качество работы самолетной РЛС с системой СДЦ влияют колебания самолета вокруг центра масс, которые всегда носят флуктуационный характер. Эти колебания приводят к расширению спектра принимаемых сигналов, вследствие чего увеличивается нескомпенсированный остаток помех.

В РЛС с череспериодной компенсацией интенсивность выходных сигналов зависит от скорости сближения РЛС с целью. Когда огибающая импульсов на выходе фазового детектора изменяется с частотой выходное напряжение компенсирующего устройства максимально, а при равно нулю. Это означает, что РЛС с череспериодной компенсацией обладают худшими характеристиками обнаружения целей, чем РЛС без устройств компенсации. Однако этот недостаток в ряде случаев не может быть решающим.