СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА Российский патент 2003 года по МПК G01S13/02 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) обзора и управления воздушным движением в условиях пассивных помех, вызванных отражением от местных предметов, метеообразований, подстилающей поверхности, а также может быть использовано в технике цифровой связи.

В современных РЛС широко используются сигналы достаточно большой длительности с внутриимпульсной модуляцией ("Справочник по радиолокации" под ред. М. Сколника, т. 3, М., Советское радио, 1979 г., с. 400).

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) и ряда дополнительных откликов (боковых лепестков), соответствующих другим значениям дальности ложным положениям объекта.

Боковые лепестки существенно меньше, чем главный лепесток. Но при большом уровне принимаемого колебания наличие боковых лепестков может вызвать ложное обнаружение, при этом вместо одного объекта будет обнаружено несколько ложных.

Известен способ повышения разрешающей способности радиолокатора, при котором излучают широкополосный сигнал, принимают отраженный от объектов сигнал, осуществляют его обработку путем усиления, оптимальной фильтрации и детектирования и подают на обнаружитель, в частности индикатор (см., например, Ширман Я.Д., "Разрешение и сжатие сигналов", М., Советское радио, 1974 г., с. 57).

Повышение разрешающей способности, достигаемое этим способом, зависит от параметров зондирующего сигнала и параметров оптимального фильтра.

Известно, что для увеличения разрешающей способности РЛС по дальности при сохранении длительности импульсов, определяющих энергию сигнала, осуществляют расширение спектра излучаемых импульсов и их временное сжатие при обработке в приемнике (Кук Ч., Бернфельд М., "Радиолокационные сигналы" по ред. B. C. Кельзона, Советское радио, 1971 г.). Уровень боковых лепестков (УБЛ) сжатого сигнала определяет динамический диапазон РЛС, то есть возможность различать малоразмерные цели на фоне крупных.

В таких РЛС возможно использование сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ-сигналов), спектр которых при большой базе имеет форму, близкую к прямоугольной. Спектр ЛЧМ-сигнала имеет строго прямоугольную форму только в том случае, когда огибающая этого сигнала имеет френелевскую форму. На практике стараются использовать сигналы с огибающей, форма которой близка к прямоугольной. При этом для сигналов с большой базой достижимый УБЛ определяется видом весовой функции и аппаратурными ошибками, вносимыми в передатчике и приемнике, а для сигналов с небольшой базой еще и френелевскими пульсациями спектра сигнала.

Помимо ЛЧМ-сигналов используются сигналы с нелинейной частотной модуляцией (НЧМ-сигналы), которые обеспечивают низкий УБЛ без проигрыша в отношении сигнал/шум и расширения основного лепестка. Однако при небольших базах сигнала пульсации спектра НЧМ-сигнала препятствуют достижению низкого УБЛ (см. Оконешников B.C., Кочемасов В.И., "Сжатие частотно-модулированных сигналов с небольшим произведением девиации частоты на длительность импульса", ж. "Зарубежная радиоэлектроника", 1, 1987 г., с. 82). Сигналы с НЧМ не требуют временной или частотной весовой обработки для подавления боковых лепестков, так как вид модуляции специально выбирается, чтобы обеспечить необходимый амплитудный спектр. Однако при использовании НЧМ-сигналов возрастает сложность систем и необходим подбор и разработка специальной частотной модуляции для каждого амплитудного спектра, в тех случаях, когда необходимо обеспечить требуемый уровень боковых лепестков.

Значительный УБЛ, характерный для сигналов с малой базой, недопустим, поэтому в РЛС, использующих сигналы с малой базой, необходимы меры для снижения боковых лепестков, в частности обусловленных френелевскими пульсациями.

Известен способ борьбы с френелевскими пульсациями в фильтре сжатия (приемнике) (там же, стр. 87). Спектр сжатого сигнала полагают соответствующим весовой функции, обеспечивающей необходимый УБЛ, и определяют передаточную функцию фильтра сжатия. Зная последнюю, можно определить требуемую характеристику фильтра сжатия.

Однако эта характеристика рассчитывается под идеальную форму зондирующего сигнала заранее. В реальной РЛС параметры зондирующего сигнала и приемного тракта будут изменяться в зависимости от климатических условий, старения элементов, их замены, например, при ремонте и т.д. Будет изменяться и УБЛ и, следовательно, возрастает вероятность ложного обнаружения объекта.

Известен способ амплитудно-частотной коррекции принимаемого сигнала (см. В.В. Родионов, В.М. Рукавишников, Ю.В. Филонов "Методы формирования и обработки радиолокационных сигналов с малой базой и низким уровнем боковых лепестков функции неопределенности по дальности", "Радиолокация, навигация, связь", VII Международная научно-техническая конференция 24-26 апреля 2001 г. , Россия, Воронеж, с. 1460). Теоретически было определено, что для сигналов с малой базой для того, чтобы был гарантирован определенный УБЛ, необходимо, чтобы амплитудно-частотный спектр принятого РЛС сигнала совпадал с заданной функцией частотного окна. При этом выходной сигнал не должен иметь фазовой модуляции. Для этого принимаемый сигнал необходимо пропустить через фильтр с определенной передаточной функцией.

Пусть X(f) - желаемый вид амплитудно-частотной характеристики сигнала на выходе фильтра, S(f) - спектр принимаемого сигнала, H(f) - коэффициент передачи фильтра. Очевидно, что они связаны соотношением:
H(f) • S(f) = X(f).

Откуда получаем требуемую передаточную функцию фильтра:
H(f) = X(f)/S(f).

С помощью такого фильтра сжатия с такой передаточной функцией фильтруют отраженный от объекта сигнал, производят детектирование сигнала и обнаружение его (например, выводят на индикатор или пороговое устройство). Этот способ обработки радиолокационных сигналов выбран в качестве ближайшего аналога.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Для сигналов с малой базой (меньше пятидесяти) требуется не только исключить ложное обнаружение объекта за счет действия боковых лепестков, но и учесть следующее. После сжатия принятого сигнала возможно маскирование отражения от малоразмерных объектов боковыми лепестками сигнала, отраженного от объекта с большой эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР). Необходимо обнаружить этот малоразмерный объект. При этом необходимо найти технически реализуемый способ обработки радиолокационных сигналов, в котором можно было бы учитывать все искажения принятого сигнала, которым он подвергается в РЛС, гарантировать малые потери в отношении сигнал/шум за счет несогласованной обработки, а также гарантировать заданный малый УБЛ и уменьшить время идентификации объекта.

Указанный результат достигается тем, что способ обработки радиолокационного сигнала, при котором излучают зондирующий сигнал, принимают отраженный сигнал, осуществляют его фильтрацию, при этом амплитудно-частотный спектр сигнала на выходе фильтра совпадает с заданной функцией частотного окна, детектируют сигнал и обнаруживают предварительно перед излучением зондирующего сигнала, определяют требуемую амплитудно-частотную характеристику на выходе фильтра сжатия, формируют сигнал, совпадающий по форме с зондирующим сигналом, подают его на вход приемника и рассчитывают коэффициент передачи фильтра сжатия, который рассчитывают по спектру сигнала, совпадающему по форме с зондирующим сигналом, пропущенным через тракт приемника, а принятый отраженный сигнал пропускают через фильтр сжатия, имеющий рассчитанный коэффициент передачи, при этом в качестве зондирующего сигнала используют сигнал с нелинейной частотной модуляцией, обеспечивающий минимальные потери в отношении сигнал/шум.

На фиг.1-3 изображена последовательность операций предлагаемого способа обработки радиолокационного сигнала.

Первоначально определяют требуемый спектр сигнала на выходе фильтра сжатия, который по форме был бы наиболее близок к функции частотного окна, гарантирующего заданный УБЛ (фиг.1).

Формируют сигнал, по форме совпадающий с зондирующим сигналом, подают его на вход приемника, вычисляют комплексную частотную характеристику фильтра сжатия (коэффициент передачи) по этому реальному сигналу. Частотная характеристика приведена на фиг.2.

Излучают зондирующий сигнал, принимают его, пропускают через приемный тракт РЛС, преобразовывают его с учетом рассчитанной ранее комплексной частотной характеристики фильтра сжатия. Форма сжатого сигнала и структура его боковых лепестков приведены на фиг.3.

Именно для сигналов с малой базой практическая реализация такого фильтра сжатия была осуществлена авторами изобретения.

Предлагаемое изобретение основано на следующем, экспериментально установленном факте. Использование НЧМ-сигналов и применение предлагаемого способа обработки радиолокационного сигнала для сигналов с малой базой позволяет получить низкий УБЛ сжатого сигнала. Это было впервые замечено авторами изобретения и описано в заявке. Было подмечено также, что если в качестве зондирующего сигнала использовать ЛЧМ-сигналы, то в случае использования заявляемого способа обработки радиолокационного сигнала потери в отношении сигнал/шум больше, чем при использовании НЧМ-сигналов. Использование НЧМ-сигналов позволяет сделать эти потери минимальными.

Предлагаемое изобретение представляет собой результат наблюдения и последующего анализа и осмысления, позволяющего использовать накопленный опыт.

Реализация способа осуществляется следующим образом.

Среди известных оконных функций наименьшим УБЛ обладает окно Наттолла. Ширина окна d_f = 1,375 мГц обеспечивает длительность сжатого сигнала 1,3 мкс по уровню -3дБ.

Используют сигнал длительностью 32 мкс при условии, что длительность сжатого сигнала должна быть 1-1,5 мкс.

В качестве фильтра сжатия используют цифровой фильтр сжатия.

Первоначально НЧМ-сигнал с формирователя зондирующих сигналов подают на вход приемника радиолокационных сигналов. По цифровым отсчетам квадратур этого сигнала вычислитель рассчитывает комплексный спектр этого сигнала. Определяют комплексную частотную характеристику фильтра сжатия (коэффициент передачи) с учетом желаемого спектра сигнала на его выходе, обеспечивающего заданный УБЛ сжатого сигнала. Эта комплексная частотная характеристика (коэффициент передачи) записывается в запоминающее устройство (ЗУ).

Излучают зондирующий НЧМ-сигнал. Принятый сигнал поступает на вход приемника радиолокационных сигналов. Осуществляют дискретное преобразование Фурье цифровых отсчетов квадратур принятого сигнала, умножают результат на комплексную частотную характеристику фильтра сжатия (коэффициент передачи), записанную в ЗУ. Осуществляют обратное дискретное преобразование Фурье - результат перемножения. Далее осуществляют формирование выходной информации для визуального отображения и регистрации.

В результате экспериментов было определено следующее.

Для окна Наттолла УБЛ -98 дБ, а потери в отношении сигнал/шум составляют порядка 0,1 дБ (фиг.4).

При применении ЛЧМ-сигнала с базой 40 и классического метода обработки (аподизация в соответствии с окном Хэмминга) УБЛ составляет -32 дБ, а потери в отношении сигнал/шум 1,34 дБ (фиг.5).

УБЛ существенно увеличивается за счет эффекта Доплера и для частоты Доплера 4630 Гц не превышает уровня -50 дБ (фиг.6). УБЛ за счет эффекта Доплера уменьшается (увеличивается) на 20 дБ при уменьшении (увеличении) частоты Доплера в 10 раз (фиг.7).

Так, технически реализован способ обработки радиолокационного сигнала, удовлетворяющий давно существующую потребность, попытки получения которого долгое время не удавались, и достигнут технический результат.

Таким образом, сжатие НЧМ-сигналов с применением фильтра сжатия, коэффициент передачи которого рассчитывается по спектру сигнала, предварительно пропущенного через тракт приемника, позволяет учитывать все искажения сигнала, которым он подвергается в приемном и передающем тракте РЛС, и значительно снижает маскирование малоразмерных объектов боковыми лепестками сигнала, отраженного от объекта с большой ЭПР, а следовательно, значительно уменьшается время идентификации объекта.

Реализация предлагаемого способа позволяет значительно повысить возможность выявления малоразмерных объектов в условиях пассивных помех, вызванных отражением от местных предметов и подстилающей поверхности.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях обзора и управления воздушным движением в условиях пассивных помех, вызванных отражением от местных предметов, метеообразований, подстилающей поверхности. В изобретении при приеме сжатие принятого зондирующего сигнала с нелинейной частотной модуляцией, обеспечивающей минимальные потери в отношении сигнал/шум, осуществляется посредством фильтра сжатия, коэффициент передачи которого рассчитывают по спектру сигнала, предварительно пропущенного через тракт приемника, что уменьшает уровень боковых лепестков и уменьшает время идентификации объекта. 7 ил.

Способ обработки радиолокационного сигнала, при котором излучают зондирующий сигнал, принимают отраженный сигнал, осуществляют его фильтрацию, при этом амплитудно-частотный спектр сигнала на выходе фильтра совпадает с заданной функцией частотного окна, детектируют сигнал и обнаруживают, отличающийся тем, что предварительно перед излучением зондирующего сигнала определяют требуемую амплитудно-частотную характеристику на выходе фильтра сжатия, формируют сигнал, совпадающий по форме с зондирующим сигналом, подают его на вход приемника и рассчитывают коэффициент передачи фильтра сжатия, который рассчитывают по спектру сигнала, совпадающего по форме с зондирующим сигналом, пропущенным через тракт приемника, а принятый отраженный сигнал пропускают через фильтр сжатия, имеющий рассчитанный коэффициент передачи, при этом в качестве зондирующего сигнала используют сигнал с нелинейной частотной модуляцией, обеспечивающий минимальные потери в отношении сигнал/шум.