5.3. Импульсные радиолокаторы

В современных мощных радиолокационных системах излучается последовательность одиночных, не обязательно одинаковых импульсов. Временные интервалы для таких радиолокаторов в пределах одного периода повторения импульсов показаны на рис. 5.2. Импульс длительности Т излучается в момент . Через интервал А излучается следующий такой же или, возможно, другой импульс; А — период повторения импульсов, — частота их повторения. В мощных радилокационных системах, где каждый из излучаемых

импульсов может быть предназначен для проведения измерений определенного вида, в том числе дальности до цели, период повторения может меняться. Если для излучения и приема используется одна и та же антенна, то начать прием раньше момента невозможно. Возможный интервал приема начинается при а заканчивается при Он включает в себя интервал приема и дальномерный интервал приема.

Рис. 5.2. Временные интервалы в импульсном радиолокаторе.

Дальности радиолокационного наблюдения за всеми представляющими интерес целями ограничены некоторыми пределами и определяющими дальномерный интервал приема, начинающийся в момент и заканчивающийся в момент

Для сжатия импульсов с помощью согласованной фильтрации, обычно выполняемой в устройстве обработки сигналов, необходимо принимать эхо-сигнал на интервале, превышающем дальномерный на величину длительности импульса Т (его называют интервалом приема). Эти временные интервалы представлены на рис. 5.2. Длительность интервала приема относится к числу важных параметров обработки, особенно в цифровых системах, для которых этот интервал определяет объем информации, который должен быть обработан на каждом периоде повторения, а также емкость накопителя и скорость вычислений.

5.3.1. Неоднозначность

Необходимо отметить, что использование последовательности импульсов с постоянным периодом повторения приводит к неоднозначности в измерениях дальности. Эхо-сигналы, отраженные от целей, дальность до которых превышает будут приняты на последующих периодах повторения, что может привести к неоднозначности. Так, например, в момент могут быть приняты эхо-сигналы сразу от двух целей: импульс, излученный в момент и отраженный от цели на дальности

а также импульс, излученный в момент и отраженный от дели на дальности Однозначное измерение дальности будет обеспечено, если дальномерный интервал ограничить соседними импульсами излучения. Исключить неоднозначность можно, также меняя период повторения импульсов, с тем чтобы сместить относительно друг друга моменты появления наложенных эхо-сигналов, и выделяя затем с помощью сравнительно несложных алгоритмов эхо-сигналы от различных целей.

Выше при рассмотрении процесса измерения скорости по величине доплеровского смещения предполагалось, что излучается непрерывный монохроматический сигнал. Допустим теперь, что этот сигнал имеет несущую частоту промодулирован импульсной последовательностью, причем каждый импульс пачки начинается с нулевой фазы, и что дальность до цели на протяжении многих периодов повторения меняется мало (по сравнению с величиной разрешения по дальности). Покажем, что в таком импульсном радиолокаторе дискретизуется синусоидальное колебание, частота которого равна доплеровскому смещению, так что измерение скорости сводится к спектральному анализу непрерывного во времени сигнала после его дискретизации. Отметим, что дискретный характер спектрального анализа не зависит от того, является устройство обработки сигналов аналоговым или цифровым. В момент начинается излучение сигнала Эхо-сигнал от движущейся цели, находящейся на дальности принимается в момент Он будет иметь вид

При повторном излучении в момент цель переместится по дальности на величину так что фазы отраженных сигналов в моменты будут различными. Эхо-сигнал от второго излученного импульса будет иметь вид

и в момент он будет равен

тогда как эхо-сигнал от первого импульса в момент был равен

В общем случае в моменты эхо-сигнал принимает значения

и, следовательно, он действительно представляет отсчеты синусоидального колебания с частотой, равной доплеровскому смещению взятые в моменты времени Для измерения

можно, предварительно накопив отсчетов эхо-сигнала, выполнить дискретное преобразование Фурье этих отчетов с использованием, например, алгоритма БПФ. Так как отсчеты представляют дискретизованный сигнал, то частотный спектр будет иметь периодическую структуру с периодом Итак, измерениям скорости в импульсном радиолокаторе также свойственна неоднозначность, которую, как и в измерениях дальности, можно исключить, меняя частоту повторения излучаемой импульсной последовательности.

5.3.2. Поточная обработка

Радиолокатор, излучающий пачки коротких импульсов, естественным образом приспособлен к поточной организации обработки сигналов. Напомним, что устройство цифровой обработки радиолокатора (см. рис. 5.1) должно включать три подсистемы: цифровой согласованный фильтр, обнаружитель цели и устройство вторичной обработки. Данные проходят через все три подсистемы последовательно. Один из вариантов организации обработки заключается в том, что все данные, поступающие на каждом интервале приема, полностью обрабатываются до начала следующего интервала. Однако при такой организации каждая из подсистем будет простаивать в среднем одну треть времени. Полная занятость подсистем обеспечивается при поточной организации обработки. Если считать, что продолжительность обработки одного массива данных (относящегося к одному интервалу приема) одинакова у всех трех подсистем, то для организации поточной обработки достаточно между подсистемами ввести буферные накопители, так что на каждом периоде повторения все подсистемы будут обрабатывать массивы данных, относящиеся к разным интервалам приема. При такой организации все три подсистемы могут работать одновременно. Последовательность выполнения операций при поточной обработке показана на рис. 5.3.

После излучения первого импульса ИО следует интервал приема эхо-сигналов ИПО, на котором отсчеты эхо-сигнала накапливаются в быстродействующей буферной памяти Частота поступления данных в БП1, согласно критерию Найквиста, должна, как минимум, вдвое превышать наибольшую частоту спектра эхо-сигнала в основной полосе. Полоса радиолокационного сигнала составляет в среднем 10—60 МГц, поэтому для построения буфера БП1 на существующей элементной базе может потребоваться мультиплексирование блоков памяти с меньшим быстродействием, а также соответствующая, достаточно сложная схема управления. Создание такого буфера — вполне разрешимая задача.

(кликните для просмотра скана)

После окончания интервала приема ИПО накопленный первый массив отсчетов сигнала обрабатывается в согласованном фильтре. Массив считывается из буфера БП1 с частотой, зависящей от скорости обработки в фильтре. Отметим, что частота дискретизации на входе и частота поступления данных в согласованный фильтр не зависят друг от друга, однако согласованный фильтр должен обладать быстродействием, достаточным для завершения обработки всего массива отсчетов сигнала, сформированного на интервале ИПО, за один период повторения. Интересно отметить, что в принципе обработка в согласованном фильтре может выполняться за время, меньшее длительности интервала приема, т. е. быстрее реального времени. Отметим также, что как буфер БП1, так и все последующие буферные блоки памяти должны дублироваться, чтобы можно было выводить данные из БП1 в согласованный фильтр на интервале СФО и в то же самое время принимать в БП1 новый массив отсчетов следующего интервала приема ИП1. Выходные результаты согласованного фильтра накапливаются в буфере БП2, откуда они затем вводятся в блок обнаружения для последующей обработки. В конце интервала приема ИП1 работает только одно звено поточной системы обработки, поскольку она еще должна заполниться данными. С этого момента может начаться обработка массива данных, относящихся к интервалу приема ИПО, в блоке обнаружителя. В согласованном фильтре на участке СФО будет обрабатываться массив отсчетов, принятых на интервале ИП1, а на входе будет накапливаться массив интервала приема ИП2. После окончания интервала ИП2 начнут работать все три подсистемы одновременно, обрабатывая массивы данных, относящиеся к различным интервалам приема, и в системе установится поточный режим.

Итак, один массив данных обрабатывается за три периода повторения, однако пропускная способность поддерживается достаточной для обеспечения обработки сигналов в реальном времени. Это означает, что на одном периоде повторения один массив исходных отсчетов вводится в устройство обработки, а один массив результатов выводится и передается в СОД. Описанное распределение вычислительных операций в устройстве обработки сигналов позволяет раздельно проектировать его отдельные подсистемы. Можно, например, поставить задачу предельного упрощения схемы согласованного фильтра при условии, чтобы продолжительность фильтрации была меньше периода повторения.

Взаимосвязь между тремя подсистемами осуществляется с помощью блоков буферной памяти, которые обеспечивают поступление данных в каждую из подсистем. Из рис. 5.3 следует, что каждый буфер должен быть рассчитан на два массива данных, один из которых поступает в буфер из предыдущего устройства, а другой считывается из буфера и поступает на обработку в подсистему, следующую за ним. В некоторых случаях (например, в радиолокаторах

с синтезированием апертуры или при обработке пачек импульсов) приходится перед началом обработки, заключающейся в интегрировании или когерентном накоплении, накапливать отсчеты эхо-сигналов на большом числе периодов повторения, поэтому объем буферной памяти устройства цифровой обработки должен быть значительно увеличен. Из последующего рассмотрения станет ясно, что быстродействующая память большой емкости используется не только в блоках буферной памяти, но и во внутренней памяти устройства обработки. Объем памяти является важной характеристикой устройств цифровой обработки радиолокационных сигналов; выигрыш от распределения вычислительной нагрузки с целью проведения обработки на всем периоде повторения часто превалирует над проигрышем из-за усложнения памяти.