Глава 5. ПРИМЕНЕНИЯ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В РАДИОЛОКАЦИИ

Дж. X. Макклелан, Р, Дж. Пурди

5.1. введение

За несколько последних десятилетий радиолокация превратилась в самостоятельное и развитое техническое направление. Поэтому довольно неожиданной оказалась наблюдавшаяся в последние годы значительная активность в создании новых радиолокационных систем и модернизации существующего оборудования. В немалой степени это связано с широким внедрением в радиолокационные системы быстродействующей цифровой техники, что вызвано рядом причин. Во-первых, цифровая техника оказалась весьма универсальной — используя ограниченный набор микросхем, можно реализовать множество различных функций. Во-вторых, с ее помощью оказалось возможным достичь очень высоких точностей радиолокационных станций путем простого увеличения разрядности чисел. В-третьих, быстродействие современных цифровых микросхем способно удовлетворить жестким требованиям, предъявляемым к ним радиолокационными системами. Наконец, в-четвертых, цифровые системы становятся экономически все более выгодными. В настоящей главе сначала приводятся общие сведения об устройствах обработка радиолокационных сигналов, а затем рассматриваются некоторые современные специализированные цифровые системы.

Общая структурная схема большой радиолокационной системы представлена на рис. 5.1. Она включает систему обработки данных (СОД), обеспечивающую управление радиолокационной системой в целом и принятие решения, устройство управления, предназначенное для декодирования команд и общей синхронизации работы радиолокатора, генератор сигналов, антенны для излучения и приема радиосигналов, а также устройство обработки сигналов, в котором производится согласованная фильтрация принятых сигналов, вычисляются все необходимые характеристики цели и, как правило, уменьшаются объем данных и скорость их поступления до величин, приемлемых для СОД.

(кликните для просмотра скана)

В первых радиолокаторах все устройства строились только на базе аналоговой аппаратуры (функции СОД выполнял оператор индикатора). Однако по мере увеличения размеров и усложнения радиолокационных систем возникла необходимость ввести в их состав большую универсальную вычислительную машину, осуществляющую общее управление и контроль. Таким образом, на некотором этапе обработки сигналов в радиолокационной системе аналоговую информацию пришлось преобразовать в цифровую. Гибкость и универсальность цифровой техники в первую очередь позволили применить ее на завершающих этапах обработки, где необходимость в быстродействии наименее ощутима, поскольку операции по сокращению объема данных в основном выполняются на предыдущих этапах. Однако в дальнейшем по мере усложнения как самих радиолокационных сигналов, так и методов их обработки необходимость в универсальности, присущей цифровой технике, стала все сильнее ощущаться на всех этапах обработки сигналов. В то же время в радиолокаторах начали использоваться более широкоплосные сигналы, что существенно усложнило устройства обработки сигналов, которые должны были обладать и высоким быстродействием, и достаточной универсальностью. Однако с появлением высокоскоростных и постоянно удешевляющихся цифровых микросхем становится вполне реальным создание устройств обработки сигналов, полностью удовлетворяющих обоим требованиям на всех этапах обработки. Таким образом, в современной радиолокационной системе аналого-цифровое преобразование выполняется между приемником и устройством обработки сигналов.

5.1.1. Краткая историческая справка

Физический принцип, на котором основана работа радиолокационной системы, впервые был продемонстрирован Герцем в 80-х годах прошлого века. В своих экспериментах он показал, что электромагнитные волны отражаются от металлических предметов точно так же, как свет отражается от зеркал. Однако, несмотря на то что первое практическое устройство, предназначенное для предотвращения столкновений судов, было продемонстрировано и запатентовано немецким инженером Кристианом Халсмейером еще в 1904 г., к созданию действующих радиолокационных установок по-настоящему приступили лишь в 30-х годах, когда для военных целей стало особенно важным обнаружение самолетов в условиях ограниченной видимости. Работы велись в Германии, Франции, Великобритании и США, причем наибольшую известность приобрели английские разработки. Цепочка расположенных вдоль английского побережья Ла-Манша радиолокационных станций обнаружения, работавших в режиме непрерывного излучения, идею которых предложил Роберт Уотсон — Уатт в 1935 г.,

использовалась для обеспечения обороны Британских островов во время воздушных налетов в 1940 г. Развернувшиеся во время войны во многих странах интенсивные исследования привели к созданию новой микроволновой техники и новых методов обработки сигналов.

В 50-х годах появились более сложные радиолокационные системы. Примером может служить система SAGE (полуавтоматическая наземная система ПВО США), в которой впервые в качестве электронного «мозга» радиолокационной системы были использованы большие универсальные вычислительные машины, заменившие человека. Необходимость такого усложнения была обусловлена высокими тактико-техническими характеристиками самолетов и ракет, поскольку человек-оператор в отличие от заменившей его машины был не в состоянии достаточно быстро и точно реагировать на изменяющуюся обстановку.

В 50-е годы методы обработки сигналов в радиолокационных системах были усовершенствованы. Так, фирмой Bell Laboratories была разработана методика сжатия импульсов [22], позволившая за счет увеличения продолжительности излучаемого импульса обеспечить большую энергию сигнала, а за счет укорочения импульса после сжатия получить высокую разрешающую способность радиолокатора по дальности. Исследование функции неопределенности, проведенное Вудвордом, раскрыло сущность общей проблекы выбора радиолокационного сигнала и стимулировало большое количество работ в этой области.

В последние годы радиолокация нашла применение в многочисленных системах военного назначения, а также в таких областях, как управление полетами самолетов, морская навигация, метеослужба и служба контроля скорости движения на автострадах.