ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2003 года по МПК G01S7/36 

Изобретение относится к области радиолокации (РЛ) и может быть использовано в РЛ приемниках с постоянной частотой ложных тревог (ПЧЛТ), в частности в качестве приемного устройства со стабилизацией уровня ложных тревог.

При создании автоматизированного РЛ комплекса обнаружения воздушных объектов одной из актуальных задач становится задача достижения ПЧЛТ на выходе РЛ приемника. ПЧЛТ на выходе РЛ приемника необходимо для реализации максимальной производительности специализированных ЭВМ (электронно-вычислительных машин), входящих в состав автоматизированного комплекса обнаружения воздушных объектов и осуществляющих вторичную обработку РЛ информации.

ПЧЛТ на выходе РЛ приемника при приеме на фоне активных и пассивных помех достигается с помощью определенных элементов РЛ приемника, каждый из которых наиболее эффективно осуществляет подавление конкретного типа помех. Так, для подавления отражений от пассивных помех и местных предметов, и, как следствие, уменьшения числа ложных тревог, вызываемых этими отражениями, применяются системы селекции движущихся целей (СДЦ) [1], а для подавления активных шумовых помех (АШП) применяются автокомпенсаторы (АК) [2].

Жесткие требования к ПЧЛТ приводят к необходимости введения в состав РЛ приемника специальных устройств, осуществляющих АЧЛТ на выходе РЛ приемника и при воздействии активных помех.

Традиционным методом достижения ПЧЛТ на фоне активных помех является применение АК с последующим нормированием мощности остатков помех с помощью схем типа автоматических регулировок усиления (АРУ), ограничитель - оптимальный фильтр, логарифмирование - быстрое дифференцирование - антилогарифмирование и т.п.

При использовании в РЛС сложных сигналов в РЛ приемниках для достижения ПЧЛТ обычно используется схема "ограничитель - оптимальный фильтр", которая обеспечивает также хорошую помехозащищенность и от импульсных несинхронных помех [3]. Однако жесткое ПЧЛТ на выходе РЛ приемника не достигается только за счет применения АК и схемы "ограничитель - оптимальный фильтр" при обнаружении на фоне АШП. На данное обстоятельство, например, указывается [4], где, в частности, рекомендуется для улучшения качества ПЧЛТ включать на выходе схемы "ограничитель - оптимальный фильтр" схему логарифмирование - быстрое дифференцирование - антилогарифмирование. Такое построение РЛ приемника с ПЧЛТ оказывается эффективным лишь для определенной помеховой ситуации.

Действительно, схемы нормирования остатков помех по мощности (АРУ, логарифмирование - быстрое дифференцирование - антилогарифмирование и т.п.) устраняют влияние мультипликативного (модулирующего) множителя, воздействующего на стационарный случайный процесс. (В пределах 1-2 тактов зондирования остатки АШП можно считать стационарным случайным процессом, мощность которого определяется интенсивностью АШП и коэффициентом подавления АК). Случайный процесс на выходе детектора схемы "ограничитель - оптимальный фильтр" при воздействии на входе РЛ приемника АШП описывается более сложным образом, в частности, его можно представить в виде линейной суперпозиции двух составляющих - постоянной и переменной (флуктуационной) [5]. Относительные интенсивности последних зависят от спектра АШП ("окрашенный" шум) и закона распределения случайного процесса на входе детектора. В реальных помеховых условиях соотношение между интенсивностью постоянной и флуктуационной составляющими не остается постоянным, поэтому применение схем ПЧЛТ, предназначенных для устранения влияния мультипликативного множителя, на выходе схемы "ограничитель - оптимальный фильтр" не эффективно. Кроме того, применение данных схем (АРУ, логарифмирование - быстрое дифференцирование - антилогарифмирование) рассчитано на стабилизацию гауссовых процессов, а процесс на выходе типового РЛ приемника сложных сигналов (приемника с ограничением динамического диапазона эхосигналов) отклоняется от гауссового распределения, особенно в области больших значений, которые в основном и определяют уровень ложных тревог.

Таким образом, проблема стабилизации уровня ложных тревог на выходе РЛ приемника сложных сигналов при приеме эхосигналов на фоне АШП весьма актуальна и традиционными методами не достигается.

Целью настоящего изобретения является улучшение качества стабилизации уровня ложных тревог на выходе РЛ приемника при приеме эхосигналов на фоне АШП.

Сущность изобретения заключается в том, что на выходе типового РЛ приемника сложных сигналов, содержащего последовательно соединенные "ограничитель - оптимальный фильтр", детектор и некогерентный накопитель, включается схема адаптивного вычитания постоянной составляющей, которая вычитает постоянную составляющую на основе предварительной оценки уровня ложных тревог на фиксированном пороговом уровне. Как показал анализ известных устройств СУЛТ, подобные устройства отсутствуют, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия". При этом устройство вычитания постоянной составляющей (ВПС) выполнено из схемы сравнения, один из входов которой является входом устройства ВПС, а выход соединен со входом ключа, выход которого является выходом всего приемного устройства, к управляемому входу которого подключен знаковый разряд схемы сравнения, который также соединен с одним из входов двух схем совпадения, к одному из входов непосредственно, а к другому через инвертор, выходы схем совпадения подключены соответственно к прямому и обратному счетным входам реверсивного счетчика, вторые входы схем совпадения соединены с выходом источника опорных меток, а выход реверсивного счетчика соединен со вторым входом схемы сравнения.

Изложенная сущность изобретения будет понятна из приведенного описания и графических материалов.

На фиг.1 представлена структурная схема типового РЛ приемника, выбранного в качестве прототипа [6].

На фиг.2 приведена структурная схема заявленного устройства.

На фиг.3 приведена функциональная схема адаптивного устройства вычитания постоянной составляющей (ВПС).

На фиг. 4 представлены эпюры напряжений в отдельных точках устройства ВПС.

На фиг.5 приведена функциональная схема многоканального адаптивного устройства вычитания постоянной составляющей.

На графических материалах и в тексте описания приняты следующие обозначения:
1 - ограничитель, 2 - фильтр сжатия, 3 - детектор, 4 - некогерентный накопитель, 5 - блок случайного процесса адаптивного вычитания постоянной составляющей, 6 - ключ, 7 - блок сравнения, 8 - реверсивный счетчик, 9 - блок совпадения, 10 - инвертор, 11 - хронизатор, 12 - n дополнительных ключей, 13 - формирователь стробов, 14 - блок объединения.

Функциональные элементы 1, 2, 3, 4, 5, 6 соединены последовательно.

Входом всего устройства является вход ограничителя 1, а выходом всего устройства является выход ключа 6. Один из входов блока сравнения 7, являющийся входом 5, соединен с выходом накопителя 4, а другой - с выходом реверсивного счетчика 8, обратный счетный вход которого подключен через один из двух блок совпадения 9 и инвертор 10, а прямой счетный вход через вторую схему совпадения 9 к выходу знакового разряда блока сравнения, выходы амплитудных разрядов 7 являются выходом 5, знаковый разряд 7 подается также на управляемый вход ключа 6, вход которого соединен с выходами амплитудных разрядов блока сравнения 7, а выход является выходом всего устройства, вторые входы блоков совпадения 9 соединены с выходом хронизатора 11.

Электромагнитные колебания, принимаемые приемным устройством РЛС в полосе частот, согласованной с шириной спектра зондирующих сигналов, и представляющие собой сумму полезных эхосигналов, стационарных (или квазистационарных) шумовых помех и собственного шума приемника, поступают на вход 1. В элементе 1 происходит нормирование принятых колебаний по мощности. С выхода 1 нормированные колебания поступают на вход фильтра 2. Фильтр 2 осуществляет оптимальную внутрипериодную фильтрацию эхосигналов. На выходе блока 2 принятые колебания детектируются элементом 3 для исключения влияния случайной фазы эхосигналов на характеристики обнаружения приемного устройства. С выхода блока 3 принятые колебания поступают на вход блока 4, где осуществляется некогерентная фильтрация принятых колебаний по азимутальной координате. Мощность принятых колебаний на выходе блока 3 можно представить в следующем виде:
σ2фл

Такое представление допустимо, поскольку на выходе фильтра 2 складывается постоянное число некоррелированных и нормированных по мощности значений случайного процесса. Это число определяется базой сложного сигнала, который используется в РЛС в качестве зондирующего сигнала.

Флуктуационная и постоянная составляющая случайного процесса по разному накапливаются на выходе некогерентного накопителя 4. Флуктуационная составляющая, в силу некоррелированности флуктуации случайного процесса на выходе 3 в каждом такте зондирования РЛС накапливается на выходе блока 4 некогерентно, т. е. пропорционально N, где N - число тактов зондирования, в пределах которых осуществляется некогерентное накопление эхосигналов. Постоянная составляющая на выходе блока 3 для стационарных (или квазистационарных) случайных процессов имеет постоянное (практически постоянное) значение в каждом такте зондирования РЛC и поэтому на выходе блока 4 накапливается когерентным образом, т.е. пропорционально N. Нормированная мощность случайного процесса на выходе блока 4 описывается следующим выражением:

При отклонении закона распределения случайного процесса на входе блока 3 от гауссового величина нормированной мощности случайного процесса на выходе блока 4 изменяется и становится равной

где - нормированная мощность случайного процесса при гауссовом законе распределения случайного процесса на входе блока 3;
Δm= m-m₀ - отклонение постоянной составляющей случайного процесса при изменении закона распределения случайного процесса на входе блока 3 относительно гауссового;
O_о(1/N) - слагаемое в (3), имеющее значение порядка 1/N относительно второго слагаемого.

Из (1) и (3) нетрудно получить оценку изменения значения нормированной мощности случайного процесса на выходе блока 4, вызванной отклонением закона распределения случайного процесса от гауссового. В частности, при изменение нормированной мощности в (3), вызванное наличием второго слагаемого, примерно равно мощности флуктуационной составляющей гауссового случайного процесса, т.е. при накоплении 10-20 импульсов незначительное изменение постоянной составляющей (менее 10%) будет приводить к значительному изменению уровня ложных тревог на выходе блока 4, поскольку порог обнаружения на выходе приемного устройства определяется именно мощностью флуктуационной составляющей случайного процесса. Компенсация постоянной составляющей на выходе блока 4 позволяет застабилизировать мощность случайного процесса на выходе приемного устройства с точностью порядка 1/N. Такая точность стабилизации мощности случайного процесса при обнаружении эхосигналов с вероятностью ложной тревоги 10^-5 приводит к незначительному изменению общего уровня ложных тревог, не превышающего значения 10^-4. Под постоянной составляющей на выходе блока 4 здесь понижается медианное значение случайного процесса. Компенсация медианного значения случайного процесса на выходе блока 4 позволяет сохранить постоянным значение вероятности появления случайных выбросов на выходе ВПС 5, т.е. не нарушает нормирование мощности случайного процесса при произвольном изменении закона распределения случайного процесса на входе блока 3. При этом вероятность появления случайных (положительных) импульсов на выходе блока 5 постоянна и равна 0,5.

Существо компенсации постоянной составляющей заключается в следующем. Сигналы с выхода 4, представленные в виде К-разрядного числа, поступают на вход 5, входным элементом которого является К разрядный блок сравнения 7, представляющий собой алгебраический сумматор, который осуществляет вычитание медианного значения из случайного процесса на входе блока 4. На один из входов блока 7 поступают числовые значения, соответствующие случайному процессу на выходе блока 4, а на его другой вход поступает оценка медианного значения случайного процесса 2 выхода блока 8. Формирование оценки медианного значения случайного процесса осуществляется с помощью реверсивного счетчика 8 в результате подсчета числа положительных и отрицательных выбросов случайного процесса по выходу блока сравнения 7 в каждом элементарном кванте времени (дискрете). Длительность квантов выбрана равной времени корреляции шума τ с тем, чтобы двоичные сигналы различных квантов были статистически независимыми. Разделение положительных и отрицательных сигналов на выходе 7 осуществляется с помощью знакового разряда 7 (фиг.4в). При этом напряжение знакового разряда, равное логической "единице", соответствует положительному числу, а напряжение логического "нуля" отрицательному числу. Напряжение знакового разряда 7 поступает на входы двух блоков совпадения 9, на одну из схем непосредственно, а на вторую через инвертор 10. На вторые входы 9 с выхода блока 11 поступает непрерывная последовательность импульсов (см. фиг.4г), следующих через временной интервал τ, равный корреляции шума. Реверсивный счетчик 8 осуществляет подсчет импульсов этой последовательности. При этом импульсы, соответствующие положительному знаковому разряду, поступают на вход прямого счета 8 (см. фиг.4е), а соответствующие отрицательному знаковому разряду - на вход обратного счета реверсивного счетчика 8 (см. фиг.4д).

В установившемся режиме на прямой и обратный счетные входы 8 поступают импульсы, вероятность появления которых на выходах 9 фиксирована и равна 0,5. Равновероятное появление импульсов на выходах 9 означает, что на выходе 8 сформировалось постоянное число, равное медианному значению случайного процесса (см. фиг.4ж).

Точность оценки медианного значения случайного процесса определяется коэффициентом усиления между выходом знакового разряда 7 и выходом 8. Коэффициент усиления выбирается таким образом, чтобы в оценке медианного значения случайного процесса участвовало большое число временных интервалов, достаточное для применения закона больших чисел. Коэффициент усиления изменяется (увеличивается) путем подключения вторых входов блока 7 к более старшим разрядам 8. Отметим, что медианное значение вычисляется адаптивным образом непосредственно в пределах всей зоны обнаружения РЛC. В силу этого обстоятельства на выходе блока 7 отслеживаются изменения, вызванные нестационарностью случайного процесса в пределах рабочей зоны обнаружения РЛС, что приводит к дополнительному улучшению качества стабилизации мощности случайного процесса заявленного устройства.

Отрицательные числа, появляющиеся на выходе блока 7, при анализе PЛ информации, интереса не представляют и для уменьшения вычислительных затрат при последующей обработке клапанируются с помощью блока 6. На управляемый вход блока 6 поступает знаковый разряд 7, которой запрещает прохождение отрицательных чисел на выход 6. На выходе 6 получается случайный процесс с фиксированной плотностью вероятности для широкого класса распределений помех на входе приемного устройства (см. фиг.4, 5). Нечувствительность случайного процесса на выходе предложенного устройства к изменению распределения помех обусловлена наличием в тракте отработки нелинейного элемента - ограничителя 1 и линейных фильтров - фильтра сжатия сложных сигналов 2 и некогерентного накопителя 4.

Ограничитель 1 осуществляет нормирование помех по мощности, а линейные фильтры (при достаточно большой базе каждого из них ≥10, что выполняется в большинстве случаев на практике) нормализуют распределение помех. При этом относительные отклонения от гауссового распределения не превышают значения 10-20% и на выходе предложенного приемного устройства уровень ложных тревог не меняется.

Практически реализация заявленного устройства технической сложности не представляет и может быть выполнена на типовых логических элементах: сумматорах, схемах совпадений, иневерторах, счетчиках, например, на ИМС серии 133.

В современных помехозащищенных РЛС в состав приемного устройства обязательно входят системы селекции движущихся целей (СДЦ), которые включаются в зонах, где присутствуют мешающие отражения. Случайный процесс на выходе системы СДЦ частично коррелирован по азимутальной координате. Поэтому, параметры случайного процесса на выходе блока 4 различаются по зонам, где включена система СДЦ и где она выключена. Для качественной стабилизации мощности случайного процесса необходимо вычитать медианное значение случайного процесса в каждой из зон независимо. При таком подходе к стабилизации мощности случайного процесса практически отсутствуют переходные процессы по дальности на границе зон, в которых меняется медианное значение случайного процесса. Отсутствие переходных процессов по дальности позволяет существенно улучшить качество стабилизации уровня ложных тревог на выходе приемного устройства, вычитание медианного значения независимо - в каждой из зон достигается с помощью многоканальной схемы, представленной на фиг.5.

Принцип работы этой схемы заключается в следующем.

Сигналы с выхода знакового разряда 7 поступают на 2(n+1) схему совпадений 9, каждая из которых имеет три входа, где n - число зон, в которых включается СДЦ. Один из входов 9 соединен с выходом знакового разряда 7, второй с выходом 11, а третьи входы каждой пары 9 соединены между собой, а также с одним из выходов схемы формирования стробов 13. На выходах каждой пары схем 9 происходит разделение поступающей информации с выхода знакового разряда 7 по зонам, где работает СДЦ и в зоне, где СДЦ отключена.

Формирование оценки медианного значения случайного процесса в каждом канале происходит аналогичным образом, как было описано выше, с помощью реверсивных счетчиков 8, прямой счетный вход которого в каждом канале соединен с выходом одного блока 9 из пары, а обратный счетный вход соединен с выходом другого блока 9 из этой же пары, вход которой соединен со знаковым разрядом 7 через инвертор 10. На выходе каждого из n+1 реверсивных счетчиков 8 устанавливается медианное значение случайного процесса, соответствующее значению медианы в каждой из зон и представленное в виде К разрядного числа.

Напряжение на выходах 3 с помощью К-разрядных ключей 12, на управляемый вход которых поступает напряжение с соответствующего выхода блока 13, разделяется по зонам, выходы n+1 ключей 12 объединяются блоком объединения 14, который в случае, если зоны, формируемые в 13, неперекрываются, представляет собой в каждом разряде логическую схему ИЛИ, имеющую n+1 вход. Если зоны перекрываются, то сигналы на выходах 12 должны объединяться с помощью алгебраического сумматора, осуществляющего сложение напряжений в перекрытых зонах. С выхода 14 сигнал поступает на вторые входы блока сравнения 7.

Блок формирования стробов 13 может быть выполнен несколькими способами, которые в основном определяются назначением и функциональными возможностями конкретной РЛС. В простейшем случае, наиболее часто встречающемся на практике, в РЛС специально выделяется зона приема сигналов на фоне отражений от местных предметов. Для выделения движущихся целей в этой зоне включаются системы СДЦ, а вне ее отключаются. Схема формирования стробов 13 в этом случае представляет собой ждущий мультивибратор, начало запуска которого определяется началом дистанции зоны обнаружения РЛС, а конец - наиболее удаленным местным предметом и устанавливается оператором РЛС вручную.

Практическая реализация заявленного многоканального устройства технической сложности не представляет и может быть выполнена на типовых логических элементах, например, на ИМС серии 133.

Таким образом, использование изобретения позволяет улучшить качество стабилизации уровня ложных тревог на выходе РЛ приемника сложных сигналов при приеме эхосигналов на фоне АШП.

Источники информации
1. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. - М.: Советское радио, 1973, с.294-319.

2. Теоретические основы радиолокации / Под ред. Я.Д.Ширмана. - М.: Советское радио, 1970, с.429-435.

3. Зачепицкий А.А., Пахомов Ю.И. К вопросу о защищенности радиолокационного приемника с ограничением от импульсных помех // Радиоэлектроника, Известия ВУЗов, 1969, 2.

4. Сколник М. Справочник по радиолокации. Т.3. - М.: Советское радио, 1979, с.170-174.

5. Давенпорт В.Б., Рут В.Л. Введение в теорию случайных сигналов и шумов. - М.: Иностр. лит., 1960, с.296-302, 313-320.

6. А.Г.Голубев, Т.В.Шарова. Анализ влияния жесткого ограничения наблюдаемого процесса на эффективность обнаружения многолучевых сигналов трактом, содержащим согласованный фильтр // Вопросы судостроения. Серия общетехническая, вып.60, 1981, стр.56-57 (прототип).

Использование: радиолокация. Сущность изобретения: приемное устройство со стабилизацией уровня ложных тревог содержит один ограничитель, фильтр сжатия, один детектор, один некогерентный накопитель, один блок адаптивного вычитания постоянной составляющей случайного процесса, один ключ, что позволяет стабилизировать уровень ложных тревог на выходе приемника при приеме эхосигналов на уровне помех и является достигаемым техническим результатом, 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

1. Приемное устройство со стабилизацией уровня ложных тревог, содержащее последовательно соединенные ограничитель, фильтр сжатия (ФС), детектор и некогерентный накопитель (НН), отличающееся тем, что, с целью повышения точности стабилизации уровня ложных тревог за счет устранения влияния постоянной составляющей случайного процесса, введены последовательно соединенные блок адаптивного вычитания постоянной составляющей случайного процесса (БАВП ССП) и ключ, при этом дополнительный выход (БАВПССП) соединен с управляемым входом ключа, а вход (БАВПССП) соединен с выходом (НН). 2. Приемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что (БАВ ПССП) выполнен в виде последовательно соединенных блока сравнения (ВС), один из входов которой является входом устройства, а один из выходов - выходом устройства, инвертор, выход и вход которого соединены соответственно с входами двух блоков совпадения, выходы которых соединены соответственно с входами прямого и обратного счета реверсивного счетчика, выход которого соединен с вторым входом (БС), а вторые входы блоков совпадения соединены с выходом хронизатоpa, при этом выход знакового разряда (БС) является дополнительным выходом (БАВПССП). 3. Приемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью исключения переходных процессов (БАВ ПССП) выполнен в виде последовательно соединенных блока сравнения (БС), один из входов которого является входом устройства, а один из его выходов - выходом устройства, инвертора, выход и вход которого соответственно соединены с входами двух блоков совпадения, выходы которых соединены соответственно с входами прямого и обратного счета реверсивного счетчика, выход которого соединен с вторым входом (БС), а вторые входы блоков совпадения соединены с выходом хронизатора, при этом выход знакового разряда (БС) является дополнительным выходом (БАВПССП), кроме того, выполнен в виде N каналов, состоящих из двух дополнительных блоков совпадения, соединенных с входами прямого и обратного счета дополнительного реверсивного счетчика, при этом выходы всех дополнительных реверсивных счетчиков каждого из N каналов соединены через соответствующие N дополнительных ключей с N-входовым блоком объединения, выход которого соединен с вторым входом (БС), а третьи входы дополнительных блоков совпадения и управляемые входы N дополнительных ключей соединены с выходом формирователя стробов, а соответствующие первые входы всех блоков совпадения соединены между собой и соответственно с входом и выходом инвертора, а вторые входы соединены между собой и подключены к выходу хронизатора.