СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА Российский патент 1998 года по МПК G01S13/02 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) для обработки сигнала.

В современных РЛС широко используются сигналы достаточно большой длительности с внутриимпульсной модуляцией (Справочник по радиолокации. /Под ред. М.Сколника, т.3, М.: Сов.радио, 1979, с. 400, 402).

Увеличение длительности импульса позволяет увеличить энергию сигнала при сохранении импульсной мощности, а введение внутриимпульсной модуляции обеспечивает разрешающую способность РЛС по дальности.

В процессе обработки такого сигнала обеспечивают временное сжатие импульса в согласованном фильтре.

Выходной сигнал после согласованной обработки состоит из сжатого импульса, временное положение которого соответствует по дальности положению объекта (главный лепесток или в дальнейшем будем называть его сигналом) и ряда дополнительных откликов (боковых лепестков), соответствующих другим значениям дальности - ложным положениям объекта.

Боковые лепестки существенно меньше по мощности, чем сигнал. Так, для прямоугольного сигнала с линейной частотной модуляции (ЛЧМ) максимальный уровень бокового лепестка (УБЛ) на 13,2 дБ ниже сигнала (там же с. 433, рис. 25 и с. 434, табл. 9). Поэтому подавляют боковые лепестки за счет сравнения амплитуды колебания с порогом, который устанавливают выше максимального УБЛ. Но при большом уровне принимаемого колебания наличие боковых лепестков может вызвать ложное обнаружение, при этом вместо одного объекта будет обнаружено несколько ложных, смещенных относительно истинного по дальности. Это приведет к возрастанию уровня ложной тревоги.

Известный способ автоматического регулирования усиления (там же с. 170), когда меняют уровень усилия в зависимости от уровня мешающих сигналов, здесь не может быть использован, так как вид бокового лепестка практически не отличается от сигнала.

Известен способ обработки сигнала, основанный на фазовом различении (там же с. 172), когда ограничивают принимаемое колебание на уровне значительно ниже уровня шумов.

Недостаток этого способа состоит во взаимном подавлении сигналов от близкорасположенных объектов за счет перекрытия колебаний (там же с. 173).

Хотя фильтр сжатия после ограничения обеспечивает разрешение этих колебаний, но уровень их будет ниже, чем от одиночного объекта. Это приведет к уменьшению максимальной дальности обнаружения групповых объектов.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является весовая обработка принимаемого колебания (там же с. 430). Суть ее состоит в том, что формирование сжатого импульса осуществляют при огибающей частотного спектра, не совпадающей со спектром излученного сигнала. Последовательность операций способа иллюстрируется на фиг. 1. Сжатие сигнала осуществляют путем суммирования частей колебания, снимаемых с отводов линии задержки (ЛЗ). Суммирование осуществляют с весовыми коэффициентами a_j при j=1-N, которые определяют уровень снимаемого колебания (Теоретические основы радиолакации. /Под ред. Я.Д.Ширмина. М.: Сов.радио, 1970, с. 144). Значение коэффициентов определяется видом весовой функции. Если a_j=1 при j=1-N, то это равномерная или для прямоугольного спектра сигнала согласованная обработка.

После суммирования частей сигнала получают сжатый сигнал, амплитуду которого и сравнивают с пороговым уровнем.

В дальнейшем для пояснения сути весовой обработки будем использовать чаще всего применяемую весовую функцию "косинус в квадрате с пьедесталом" (см. Справочник...с. 434, табл. 9, п. 4):

где
H - высота пьедестала;
f - спектральная составляющая сигнала;
B - ширина спектра сигнала.

На фиг. 2 для примера изображены вид спектра излученного колебания (фиг. 2а) и вид спектра после умножения на весовую функцию ψ(f) (фиг. 2б).

Зависимость уровня главного и боковых лепестков от времени изображена на фиг. 3 для трех значений пьедестала H (см. там же с. 433, рис. 25 и с. 434, табл. 9):
кривая A - H₁ = 1 - равномерная весовая обработка (или согласованная для прямоугольного спектра сигнала);
кривая B - H₂ = 0,08 - весовая обработка по Хэммингу;
кривая C - H₃ = 0,333 - весовая обработка "отношение сужения" 3:1.

Наиболее распространенной является обработка по Хэммингу, поскольку она дает уменьшение бокового лепестка с - 13,2 дБ до - 42,8 дБ при приемлемых расширении сигнала на 1,44 дБ и уменьшении отношения сигнал/шум на 1,34 дБ.

Но и для этого способа остается прежний недостаток: при большом уровне принимаемого колебания возможно ложное обнаружение сигнала за счет боковых лепестков, хотя для этого потребуется больший уровень сигнала (примерно на 25 дБ), чем при согласованной обработке. Кроме того, весовая обработка приводит к уменьшению отношения сигнал/шум и к расширению главного лепестка.

Изобретение направлено на решение следующей задачи: исключение ложного обнаружения сигнала за счет действия боковых лепестков независимо от уровня сигнала при возможности получения отношения сигнал/шум и ширины главного лепестка, достигаемых при согласованной обработке.

Эта задача решается на основе использования различной зависимости уровня боковых и главного лепестков от вида весовой функции при любом уровне сигнала или, иначе говоря, на основе использования различной чувствительности уровня сигнала и боковых лепестков к смене вида весовой функции.

Указанный результат достигается тем, что по способу обработки сигнала, основанному на весовой обработке принимаемого колебания и сравнении с порогом, согласно изобретению проводят дополнительную весовую обработку при одной или более видах весовой функции, определяют различия в результатах обработки и сравнивают их с пороговыми уровнями, при этом различные виды весовой обработки выполняют, например, путем обработки при двух значениях функции ϕ(f) и 1-ϕ(f) и суммирования сжатых колебаний с различным весом, обработку проводят или одновременно для различных видов весовой функции и принимают решение о наличии бокового лепестка, если различия результатов обработки превышают пороговые, и принимают решение о наличии сигнала, если колебание после обработки с весовой функцией, обеспечивающей наибольшее отношение сигнал/шум, превышает пороговый уровень и отсутствует решение о наличии бокового лепестка, или поочередно для различных видов весовой функции путем ее модуляции с частотой, превышающей ширину спектра сигнала, и принимают решение о наличии бокового лепестка, если глубина модуляции сжатого сигнала выше пороговой, и принимают решение о наличии сигнала, если амплитуда сжатого сигнала выше порога и отсутствует решение о наличии бокового лепестка.

На фиг. 1 изображена последовательность операций одного из возможных вариантов известного способа весовой обработки; на фиг. 2 - вид спектра излученного колебания (фиг. 2а) и вид этого спектра после умножения на весовую функцию вида (1) (фиг. 2б); на фиг. 3 приведен вид сжатого импульса (сигнал вместе с боковыми лепестками) для функции (1) при трех значениях пьедестала:
кривая A - H = 1 - равномерная весовая обработка;
кривая B - H = 0,08 - весовая обработка по Хэммингу;
кривая C - H = 0,33 - весовая обработка "отношение сужения" 3:1.

На фиг. 4 приведена схема выполнения операций, поясняющая суть предлагаемого способа для одновременной обработки с различными параметрами весовой функции (4а и 4б) и для обработки с поочередной их сменой (4в).

На фиг. 5 приведены кривые зависимости от времени различий в уровне колебания после обработки соответственно при двух (5а) и трех (5б) видах весовой функции для крайних уровней значений.

Таким образом, суть изобретения состоит в том, что наряду с обработкой по известному способу, когда сжатие принимаемого колебания проводят с использованием одной весовой функции (см. фиг. 1), дополнительно выполняют обработку с использованием одной или нескольких весовых функций, определяют различия в уровнях колебаний и сравнивают их с пороговыми уровнями.

Предлагаемый способ с одной дополнительной функцией поясняется на фиг. 4а и 3. Из сравнения фиг. 4а и фиг. 1 видно, что в предлагаемом способе дополнительно вводятся операции: дополнительное весовое суммирование с весовыми коэффициентами b₁-b_N, определение различий в уровнях колебаний после суммирования с весовыми коэффициентами a₁-a_N и b₁-b_N и сравнения их с порогом, принятие решения о наличии бокового лепестка и запрет в принятии решения о наличии сигнала, если принято решение о наличии бокового лепестка.

Рассмотрим случай, когда коэффициенты a_j при j=1-N, т.е. проводится согласованная обработка, а коэффициенты b_j определяются функцией "косинус в квадрате с пьедесталом" при H₂ = 0,08 - обработка по Хэммингу (см. Справочник . . . , с 434, табл. 9). Форма сжатого импульса и структура боковых лепестков для этих функций после суммирования представлены на фиг. 3 кривыми A и B, из сравнения которых видны различия в уровнях сигнала и боковых лепестков. На фиг. 5а представлена зависимость отношения уровней колебания после обработки по Хэммингу и согласованной обработки. Из графика видно, что уровни колебаний примерно равны при Bt₀ = 0-0,5 - это соответствует истинному положению объекта и при Bt₁ = 1,4, что соответствует ложному положению объекта. Эта точка образовалась за счет того, что при обработке по Хэммингу расширился главный лепесток и произошло его пересечение с боковым лепестком при согласованной обработке (точка 1 на фиг. 3). При обработке по Хэммингу точка включается в главный лепесток, что и приводит к его расширению. Это плата за снижение уровня следующего бокового лепестка. В ряде случаев расширение нежелательно, так как ухудшает разрешение объектов. Этот лепесток можно устранить при введении второй дополнительной обработки, например, для функции (1) при значении H₃ = 0,33 (см. Справочник ..., т. 3, с. 434, табл. 9, строка 4б).

Форма сжатого импульса и структура его боковых лепестков для этого вида функции представлена на фиг. 3 кривой C.

Из сравнения кривых видно, что если для значения Bt₁ = 1,4 различие в уровне колебаний для первых двух функций отсутствует, то обработка для 3-го вида функции отличается от них по уровню на 10 дБ.

Зависимость отношения уровней колебаний после обработки при трех функциях для крайних значений (отношение максимального уровня к минимальному) приведена на фиг. 5б. При этом различия в уровне колебаний для главного лепестка (т. е. истинного сигнала) составит всего 1,34 дБ (см. там же табл. 9, стока 1 и 4б). Отсюда следует, что если пороговый уровень в различиях результатов обработки установить менее 10 дБ, но более 1,34 дБ (пунктирная линия на фиг. 5б), при действии боковых лепестков (при Bt > 0,6) будет выдано решение об обнаружении бокового лепестка (т.е. будет запрет на выдачу решения о наличии сигнала). Правильность этого решения будет обеспечена при любом уровне принимаемого колебания, поскольку величины 10 дБ и 1,34 дБ определяются только видами функций, в рассматриваемом случае по Хэммингу и "отношению сужения" 3:1.

В то же время предлагаемым способом предусматривается обнаружение сигнала после обработки с весовой функцией, обеспечивающей наибольшее отношение сигнал/шум. В рассматриваемом случае - это согласованная обработка, дающая максимальный уровень этого отношения (суммирование с весовыми коэффициентами b₁-b_N на фиг. 4а). Будет принято решение о наличии сигнала, если уровень колебания превысит порог и при этом будет отсутствовать решение о наличии бокового лепестка. Различные виды весовой функции можно формировать, например, путем обработки при двух функциях ϕ(f) и 1-ϕ(f) и суммирования сжатых колебаний с различным весом, т.е.

ψ_j(f) = ϕ(f)+K_j[1-ϕ(f)], (2)
где
j= 1-n, n - число используемых весовых функций. Действительно, если a K_j=H, то из (2) получим весовую функцию (1). Реализовать функцию (1) можно путем формирования в фильтре с весовыми коэффициентами .

Умножение коэффициентов b_i на K_j означает усиление (или ослабление) колебания, сжатого с весовыми коэффициентами b_i=1-a_i. При K_l=0 получим обработку, соответствующую строке 5 табл. 9 (Справочник..., с. 434), при K_m=1 - согласованную обработку, при K_n = 0,08 - по Хэммингу, при K_n = 0,33 - "отношение сужения" 3:1 (там же) и т.д. Последовательность операций при трех видах весовых функций (2) для значений K_j=K₁-K₃ поясняется фиг. 4б. После суммирования колебаний с весовыми коэффициентами (1-a₁) - (1-a_N) проводится суммирование этого колебания с колебанием, полученным аналогично, но для весовых коэффициентов a₁-a_N. Причем суммирование проводится при трех значениях весовых коэффициентов K₁, K₂, K₃. В результате будет получено три колебания, после чего определяют различия в их уровнях, сравнивают с порогами и т.д. аналогично рассмотренному выше случаю (фиг. 4а). При этом для обнаружения сигнала используют колебание, полученное при значении K_j, которое менее других отличается от 1 (K₁ на фиг. 4б), что обеспечивает наибольшее отношение сигнал/шум (при K₁ = 1 будет получена согласованная обработка).

В рассмотренных примерах дополнительные операции весовой обработки осуществляют одновременно с основной. Возможно их и поочередное выполнение, если в процессе обработки изменять весовые коэффициенты K_j с частотой, превышающей ширину спектра сигнала. Так, например, можно модулировать уровень колебания после дополнительной обработки, что эквивалентно модуляции параметра H. Если изменять значение K_j от 0,08 до 1, то это приведет к тому, что в процессе сжатия сигнала весовая обработка будет изменяться от обработки по Хэммингу до согласованной обработки и первое нулевое значение выходного колебания будет смещаться от Bt₁=1 до Bt₂=2 (см. фиг. 3). Т.е. при Bt > Bt₁ выходное колебание будет модулировано с глубиной от 10 дБ и выше. В то же время глубина модуляции при Bt < Bt₁ составит величину 1,34 дБ, а амплитуда - максимально достижимое значение, соответствующее согласованной обработке (при H=1). Поэтому, если пороговое значение глубины модуляции установить ниже 10 дБ, но выше 1,34, будут выданы решения, аналогичные решениям в рассмотренном выше варианте с одновременной обработкой при трех видах весовых функций. Последовательность операций иллюстрируется на фиг. 4в. Из сравнения фиг. 4б и 4в видно, что в последнем случае вместо весового суммирования с коэффициентами K₁-K₃ выполняется модуляция весового коэффициента с частотой, обеспечивающей за время длительности сигнала его изменение, например, от K₁ до K₃. В результате после суммирования модулированного колебания и колебания, полученного после весовой обработки, с коэффициентами a₁-a_N будет получено колебание с модуляцией в области бокового лепестка и практически с отсутствием модуляции в области главного лепестка. При этом максимальный уровень колебания в области главного лепестка (т.е. амплитуда) будет определяться моментом времени, когда модулированный весовой коэффициент ближе всего к 1.

Таким образом, в предлагаемом способе вместо одного сравнения уровня колебания после весовой обработки при функции одного вида с порогом дополнительно проводят обработку при одной или нескольких функциях и дополнительно проводят сравнение результатов весовых обработок между собой и порогами, на основании чего принимают решение о наличии бокового лепестка. Поскольку результаты сравнения не зависят от мощности принимаемого колебания, то и решение о наличии бокового лепестка так же не зависит от этого. Способ основывается на использовании различной зависимости уровня бокового и главного лепестка только от вида весовой функции независимо от уровня принимаемого колебания. Иначе говоря, в качестве критерия принятия решения используется не абсолютный уровень мощности после весовой обработки, как в прототипе, а степень его изменения при смене весовой функции. При этом могут быть обеспечены параметры получаемые при согласованной обработке, - величина отношения сигнал/шум и ширина главного лепестка сжатого сигнала.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях для обработки сигнала. В основу изобретения положена техническая задача по исключению ложного обнаружения объекта за счет действия боковых лепестков сжатого сигнала при любом уровне принимаемого колебания. Решение задачи основывается на использовании различной зависимости уровня сигнала и его боковых лепестков от смены вида весовой функции. Для этого по способу обработки радиолокационного сигнала, основанному на весовой обработке принимаемого колебания и на сравнении с порогом, проводят дополнительную весовую обработку при одной или более видах весовой функции, определяют различия в результатах обработки и сравнивают их с пороговыми уровнями, при этом различные виды весовой обработки выполняют, например, путем обработки при двух значениях функции ϕ(f) и 1-ϕ(f) и суммирования сжатых колебаний с различным весом, обработку проводят или одновременно для различных видов весовой функции и принимают решение о наличии бокового лепестка, если различия результатов обработки превышают пороговые, а также принимают решение о наличии сигнала, если колебание после обработки с весовой функцией, обеспечивающей наибольшее отношение сигнал/шум, превышает пороговый уровень и отсутствует решение о наличии бокового лепестка, или поочередно при различных видах весовой функции. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ обработки радиолокационного сигнала, основанный на весовой обработке принимаемого колебания и на сравнении с порогом, отличающийся тем, что проводят дополнительную весовую обработку того же колебания при одном или более видах весовой функции, определяют различия в уровне сигналов после всех видов весовой обработки, сравнивают эти различия с пороговыми уровнями, при превышении которых принимают решение о наличии бокового лепестка. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что различные виды весовой обработки выполняют путем обработки при двух значениях функции ϕ(t) и 1-ϕ(t) с последующим суммированием сигналов с различной комбинацией веса суммирования. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что принимают решение о наличии сигнала, если колебание после обработки с весовой функцией, обеспечивающей наибольшее отношение сигнал/шум, выше и отсутствует решение о наличии бокового лепестка. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в процессе суммирования изменяются вес с частотой, превышающей ширину спектра сигнала, и принимают решение о наличии бокового лепестка, если глубина вызванного этим изменением модуляции выше пороговой. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, сто принимают решение о наличии сигнала, если амплитуда суммарного сигнала выше пороговой и отсутствует решение о наличии бокового лепестка.