СЛЕДЯЩИЙ ФИЛЬТР СИГНАЛА ДВИЖУЩЕЙСЯ ЦЕЛИ Российский патент 2005 года по МПК G01S13/524 

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к устройствам выделения доплеровских сигналов наземных движущихся целей, принимаемых когерентно-импульсной радиолокационной станцией совместно с пассивными помехами -сигналами от подстилающей поверхности Земли и от местных предметов, и может быть использовано в системах обнаружения, сопровождения и измерения скорости наземных движущихся целей, например, в бортовой радиолокационной аппаратуре систем автоматического наведения ракеты на наземную движущуюся цель.

Известен следящий фильтр сигнала движущейся цели, который является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству (см. Дудко Г.К., Резникова Г.Б. Доплеровские измерители скорости и угла сноса самолета. - М.: Сов.радио, 1964, стр.267, рис.6.16), принятый за прототип. Известное устройство-прототип содержит последовательно соединенные усилитель промежуточной частоты (УПЧ), вход которого является входной шиной следящего фильтра, первый временной селектор, первый смеситель, первый полосовой фильтр и первый частотный дискриминатор, второй смеситель, последовательно соединенные блок управления и управляемый гетеродин, выход которого подключен ко второму входу первого смесителя, формирователь селекторного импульса, вход которого является синхронизирующим входом следящего фильтра, а выход подключен ко второму входу первого временного селектора.

Недостатками устройства-прототипа являются малая точность фильтрации и низкая помехоустойчивость при выделении доплеровского сигнала от целей, движущихся с малыми радиальными скоростями, из аддитивной смеси с пассивной помехой, например отражений от подстилающей поверхности Земли. Это обусловлено тем, что пассивная помеха имеет неравномерный спектр, который существенно шире спектра сигнала движущейся цели и частично попадает в диапазон анализируемых доплеровских частот сигнала цели. Энергетический центр тяжести спектра остатков пассивной помехи, прошедших полосовой фильтр и поступающих на вход первого частотного дискриминатора, смещает истинное положение центра тяжести доплеровского сигнала движущейся цели в положение, соответствующее энергетическому центру тяжести аддитивной смеси сигнала движущейся цели и остатков пассивных помех. При этом выходное напряжение первого частотного дискриминатора содержит постоянную составляющую ошибки, обусловленную влиянием пассивной помехи, прошедшей на выход первого полосового фильтра, на формирование напряжения рассогласования, что приводит к возникновению ошибки слежения частоты колебаний управляемого гетеродина за центром спектра сигнала движущейся цели, которая может привести к тому, что на выход первого полосового фильтра, а следовательно, и следящего фильтра, будет проходить сигнал движущейся цели с искаженным по отношению к входному сигналу спектром, т.е. фильтрация сигнала цели осуществляется с низкой точностью. Эти искажения спектра полезного сигнала вызывают неточность в работе последующих устройств обработки, особенно тех, которые используют амплитудную информацию спектра сигнала цели. Величина ошибки слежения не остается постоянной, она изменяется как при изменении спектральных характеристик пассивных помех, так и при изменении средней доплеровской частоты сигнала движущейся цели, например, для маневрирующей цели, что вызывает случайный непредсказуемый характер результата фильтрации, обусловленный влиянием пассивной помехи на работу фильтра и малой точностью при фильтрации доплеровского сигнала движущейся цели из аддитивной смеси сигнала цели с пассивной помехой.

Задачей настоящего изобретения является создание следящего фильтра сигнала движущейся цели, обеспечивающего повышение точности фильтрации и помехоустойчивости работы следящего фильтра путем снижения влияния пассивных помех на фильтрацию сигналов от целей, особенно движущихся с малыми радиальными скоростями, и на работу следящего фильтра.

Поставленная задача достигается тем, что в следящий фильтр сигнала движущейся цели, содержащий так же, как и прототип, последовательно соединенные усилитель промежуточной частоты (УПЧ), вход которого является входной шиной следящего фильтра, первый временной селектор, первый смеситель, первый полосовой фильтр и первый частотный дискриминатор, второй смеситель, последовательно соединенные блок управления и управляемый гетеродин, выход которого подключен ко второму входу первого смесителя, формирователь селекторного импульса, вход которого является синхронизирующим входом следящего фильтра, а выход подключен ко второму входу первого временного селектора, в отличие от прототипа, введены последовательно соединенные элемент задержки и второй временной селектор, второй вход которого соединен с выходом УПЧ, последовательно соединенные второй полосовой фильтр, второй частотный дискриминатор и блок вычитания, второй вход которого подключен к выходу первого частотного дискриминатора, а выход подключен к входу блока управления, выход управляемого гетеродина соединен с первым входом второго смесителя, второй вход которого подключен к выходу второго временного селектора, вход элемента задержки соединен с выходом формирователя селекторного импульса, при этом выход первого полосового фильтра является выходной шиной следящего фильтра.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого следящего фильтра сигнала движущейся цели, на фиг.2 представлены спектральные характеристики сигналов и амплитудно-частотные характеристики блоков, поясняющие принцип работы предлагаемого следящего фильтра.

Следящий фильтр сигнала движущейся цели (фиг.1) содержит последовательно соединенные усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 1, вход которого является входной шиной следящего фильтра, первый временной селектор 2, первый смеситель 3, первый полосовой фильтр (ПФ) 4 и первый частотный дискриминатор 5, второй смеситель 6, последовательно соединенные блок управления 7 и управляемый гетеродин 8, выход которого подключен ко второму входу первого смесителя 3, формирователь селекторного импульса 9, вход которого является синхронизирующим входом следящего фильтра, а выход подключен ко второму входу первого временного селектора 2.

В отличие от прототипа, предлагаемый следящий фильтр содержит последовательно соединенные элемент задержки 10 и второй временной селектор 11, второй вход которого соединен с выходом УПЧ 1, последовательно соединенные второй ПФ 12, второй частотный дискриминатор 13 и блок вычитания 14, второй вход которого подключен к выходу первого частотного дискриминатора 5, а выход подключен к входу блока управления 7. Выход управляемого гетеродина 8 соединен с первым входом второго смесителя 6, второй вход которого подключен к выходу второго временного селектора 11. Вход элемента задержки 10 соединен с выходом формирователя селекторного импульса 9. Выход первого ПФ 4 является выходной шиной следящего фильтра.

На фиг.2 представлены спектры сигналов и амплитудно-частотные характеристики блоков для случая приближающейся цели, где

а) - спектр сигналов на выходе первого временного селектора 2,

б) - спектр сигналов на выходе второго временного селектора 11,

в) - спектр сигналов на выходе управляемого гетеродина 8,

г) - спектр сигналов на выходе первого смесителя 3,

д) - спектр сигналов на выходе второго смесителя 6,

е) - спектр сигналов на выходе первого ПФ 4,

ж) - спектр сигналов на выходе второго ПФ 12,

з) - дискриминационная характеристика первого 5 и второго 13 частотных дискриминаторов.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Для конкретности далее рассмотрим процессы, когда цель движется на радиолокатор и доплеровская составляющая увеличивает частоту спектральных составляющих сигнала движущейся цели (фиг.2).

С выхода приемника когерентно-импульсной радиолокационной станции сигнал, представляющий собой аддитивную смесь доплеровского сигнала движущейся цели, пассивной помехи от подстилающей поверхности Земли и внутриприемного шума, поступает на вход первого УПЧ 1, центральная частота настройки которого f_пч, а ширина полосы пропускания согласована с длительностью радиоимпульса. С выхода УПЧ 1 усиленный и отфильтрованный из внутриприемных шумов сигнал поступает на первый вход первого временного селектора 2, на выход которого сигнал проходит в тот момент, когда на его второй вход поступает строб-импульс с выхода формирователя селекторного импульса 9.

Формирователь селекторного импульса 9 по синхронизирующим импульсам, поступающим на синхронизирующий вход следящего фильтра, например из блока автоматического слежения за дальностью до движущейся цели, входящего в состав аппаратуры когерентно-импульсной радиолокационной станции, в момент времени прихода отраженного от движущейся цели импульса, формирует строб-импульсы длительностью, равной или чуть больше длительности зондирующего импульса радиолокационной станции, который на время его действия открывает первый временной селектор 2. С выхода первого временного селектора 2 отстробированный сигнал (фиг.2,а) поступает на первый вход первого смесителя 3, на второй вход которого от управляемого гетеродина 8 (фиг.2,в) поступает гармоническое колебание с частотой f_г=f_пч+f_д+f_o, где f_пч - промежуточная частота; f_д - частота доплеровского сдвига; f_o - частота настройки первого ПФ 4.

Сигнал с выхода первого смесителя 3 (фиг.2,г) поступает на вход первого ПФ 4 с центральной частотой настройки f_o. Первый ПФ 4, полоса пропускания которого равна ширине ожидаемого спектра сигнала движущейся цели, осуществляет селекцию сигнала движущейся цели из аддитивной смеси и подавляет основную часть мощности пассивной помехи. Сигнал движущейся цели и остатки пассивных помех, спектральные составляющие которых попали в полосу пропускания первого ПФ 4, поступают на вход первого частотного дискриминатора 5 (фиг.2,е), дискриминационная характеристика которого (фиг.2,з) перекрывает всю полосу пропускания первого ПФ 4 и имеет переходную частоту f_o, равную центральной частоте настройки первого ПФ 4.

Сигнал на выходе первого частотного дискриминатора 5 формируется из отклика первого частотного дискриминатора 5 на спектр сигнала движущейся цели и на асимметричный спектр сигнала остатков пассивной помехи и пропорционально частотному рассогласованию между энергетическим центром тяжести сигнала на его входе, представляющего аддитивную смесь сигналов цели и остатков пассивной помехи, и частотой настройки f_o. Энергетический центр тяжести входного сигнала первого частотного дискриминатора 5 находится в промежутке между энергетическим центром тяжести спектра доплеровского сигнала движущейся цели и энергетическим центром тяжести спектра остатков пассивных помех, прошедших на выход первого ПФ 4 (фиг.2,е), т.е. он смещен с центра спектра сигнала движущейся цели на помеховую составляющую, определяемую остатками пассивной помехи.

Одновременно с выхода УПЧ 1 сигнал поступает на второй вход второго временного селектора 11, на первый вход которого поступает строб-импульс от блока формирования селекторного импульса 9, предварительно прошедший элемент задержки 10, время задержки которого равно или больше длительности зондирующего импульса, чтобы обеспечить прохождение сигнала с выхода УПЧ 1 на вход второго смесителя 6 после окончания импульса сигнала движущейся цели. Следовательно второй временной селектор 11 пропускает лишь сигнал пассивной помехи, несовмещенной по дальности с целью.

В связи с тем, что сигнал пассивной помехи в задержанном канале и в незадержанном канале формируют два смежных участка земной поверхности, то спектральные и энергетические характеристики пассивных помех этих каналов для большинства типов реальных земных поверхностей совпадают (фиг.2,а и 2,б) и, соответственно, пассивные помехи на входах первого 3 и второго 6 смесителей можно считать одинаковыми по статистическим характеристикам.

С выхода второго временного селектора 11 (фиг.2,б) сигнал поступает на второй вход второго смесителя 6, на первый вход которого подается сигнал с частотой f_г=f_пч+f_д+f_o от управляемого гетеродина 8.

С выхода второго смесителя 6 (фиг.2,д) сигнал подается на вход второго ПФ 12, полоса пропускания которого соответствует полосе пропускания первого ПФ 4. Второй ПФ 12, вследствие симметрии спектра пассивной помехи относительно центральной составляющей спектра пассивной помехи на частоте f_пч, пропускает только спектральные составляющие пассивной помехи (фиг.2,ж). С выхода второго ПФ 12 сигнал поступает на второй частотный дискриминатор 13, имеющего такую же дискриминационную характеристику, как и первый частотный дискриминатор 5. Напряжение на выходе второго частотного дискриминатора 13 пропорционально положению энергетического центра тяжести спектра остатков пассивной помехи, прошедших на выход второго ПФ 12, и, следовательно, равно напряжению на входе второго частотного дискриминатора 13, пропорциональному положению энергетического центра тяжести остатков пассивной помехи на его входе, прошедшему первый ПФ 4. С выхода второго частотного дискриминатора 13 сигнал подается на первый вход блока вычитания 14, на второй вход которого подается сигнал с выхода первого частотного дискриминатора 5.

В блоке вычитания 14 осуществляется вычитание напряжения с выхода второго частотного дискриминатора 13 из напряжения с выхода первого частотного дискриминатора 5, что компенсирует помеховую составляющую сигнала на выходе первого частотного дискриминатора 5 и устраняет, таким образом, влияние пассивной помехи на работу следящего фильтра. Полученное управляющее напряжение, которое уже не содержит помеховой составляющей, обусловленной влиянием пассивной помехи, а содержит только полезную постоянную составляющую, обусловленную частотным рассогласованием между центральной частотой сигнала движущейся цели и центральной частотой настройки первого ПФ 4. С выхода блока вычитания 14 управляющее напряжение поступает на вход блока управления 7.

Блок управления 7 вырабатывает напряжение, которое изменяет частоту f_г колебаний управляемого гетеродина 8 таким образом, чтобы центральная частота спектра доплеровского сигнала движущейся цели совпадала с центральной частотой f_o первого ПФ 4. В устройстве наступает режим автоматического слежения за энергетическим центром тяжести только спектра сигнала движущейся цели.

С выхода первого ПФ 4 получаем отфильтрованный без искажения его спектра доплеровский сигнал движущейся цели (фиг.2,е). Ширина полосы спектров пассивных помех и шума на выходе следящего фильтра сигнала движущейся цели определяется шириной полосы пропускания первого ПФ 4 и существенно уже полосы помех на входе устройства, что повышает выходное энергетическое соотношение сигнал/помеха и обеспечивает улучшение работы последующих устройств, причем спектр полезного сигнала не искажается, что особенно важно для работы последующих устройств, использующих амплитудную информацию спектра.

Для случая фильтрации сигнала удаляющейся цели от радиолокатора результат работы следящего фильтра сигнала движущейся цели будет аналогичен рассмотренному выше (при движении цели на радиолокатор).

Известный следящий фильтр доплеровского сигнала позволяет с достаточной точностью производить фильтрацию полезного сигнала на фоне помех и шумов с равномерной спектральной плотностью. Значительную трудность представляет фильтрация доплеровского сигнала движущейся цели из помех, имеющих неравномерную спектральную плотность в ожидаемом диапазоне частот, особенно если характеристики помех изменяются во времени, что обусловлено сильным влиянием пассивной помехи, перекрывающей по спектру ожидаемый диапазон доплеровских частот сигнала цели, на процесс и результат фильтрации, что особенно проявляется при фильтрации сигналов от целей, движущихся с малыми радиальными скоростями.

Предлагаемый следящий фильтр сигнала движущейся цели обладает существенными преимуществами по сравнению с известными по точности фильтрации доплеровского сигнала движущейся цели, принимаемого одновременно с сигналами пассивных помех, имеющих неравномерную спектральную плотность в ожидаемом диапазоне частот и изменяющиеся во времени характеристики, что особенно наглядно проявляется при слежении за доплеровской частотой и измерении скорости быстро маневрирующей цели, перемещающейся на фоне неоднородных образований (поле-вода-лес).

Технический результат от использования предлагаемого следящего фильтра сигнала движущейся цели, в отличие от прототипа, заключается в повышении фильтрации и помехоустойчивости работы следящего фильтра путем снижения влияния пассивных помех на фильтрацию сигналов от целей, особенно движущихся с малыми радиальными скоростями, и на работу следящего фильтра.

Реализация устройства не вызывает практических трудностей, так как вновь вводимые блоки представляют собой завершенные функциональные узлы, выполняемые на основе известных и широко распространенных радиотехнических элементов, выпускаемых отечественной промышленностью.

Изобретение может быть использовано в системах обнаружения, сопровождения и измерения скорости наземных движущихся целей, например в бортовой радиолокационной аппаратуре систем автоматического наведения ракеты на наземную движущуюся цель. Достигаемый технический результат - повышение точности фильтрации и помехоустойчивости работы следящего фильтра – обеспечивается путем снижения влияния пассивных помех, создаваемых целями, движущимися с малыми радиальными скоростями и имеющими неравномерную спектральную плотность в ожидаемом диапазоне частот. Преимущества заявленного решения особенно наглядно могут проявиться при слежении за доплеровской частотой и измерении скорости быстро маневрирующей цели, перемещающейся на фоне неоднородных образований. Следящий фильтр сигнала движущейся цели содержит усилитель промежуточной частоты (1), временные селекторы (2,11), смесители (3,6), полосовые фильтры (4, 12), частотные дискриминаторы (5,13), блок управления (7), управляемый гетеродин (8), формирователь селекторного импульса (9), элемент задержки (10), блок вычитания (14). 2 ил.

Следящий фильтр сигнала движущейся цели, содержащий последовательно соединенные усилитель промежуточной частоты (УПЧ), вход которого является входной шиной следящего фильтра, первый временной селектор, первый смеситель, первый полосовой фильтр и первый частотный дискриминатор, второй смеситель, последовательно соединенные блок управления и управляемый гетеродин, выход которого подключен ко второму входу первого смесителя, формирователь селекторного импульса, вход которого является синхронизирующим входом следящего фильтра, а выход подключен ко второму входу первого временного селектора, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные элемент задержки и второй временной селектор, второй вход которого соединен с выходом УПЧ, последовательно соединенные второй полосовой фильтр, второй частотный дискриминатор и блок вычитания, второй вход которого подключен к выходу первого частотного дискриминатора, а выход подключен к входу блока управления, выход управляемого гетеродина соединен с первым входом второго смесителя, второй вход которого подключен к выходу второго временного селектора, вход элемента задержки соединен с выходом формирователя селекторного импульса, при этом выход первого полосового фильтра является выходной шиной следящего фильтра.