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 движущихся целей, принимаемых радиолокационной станцией совместно с сигналами пассивных помех, и может быть использовано в системах обнаружения, сопровождения и измерения скорости движущихся целей.

Известен следящий фильтр сигнала движущейся цели, который является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству (см. Тузов Г.И. Выделение и обработка информации в доплеровских системах. - М.: Сов. радио, 1967, стр.132, рис.3.23), принятый за прототип. Известное устройство-прототип содержит последовательно соединенные смеситель, полосовой фильтр, выход которого является выходом устройства, и частотный дискриминатор, последовательно соединенные блок управления и управляемый гетеродин, выход которого подключен ко второму входу смесителя.

Недостатками устройства-прототипа являются малая точность фильтрации и большая степень влияния пассивной помехи при фильтрации доплеровского сигнала движущейся цели из аддитивной смеси с пассивной помехой, например отражений от подстилающей поверхности Земли. Это обусловлено тем, что в отличие от внутриприемного шума с равномерным спектром пассивная помеха имеет неравномерный спектр, который обычно существенно шире спектра сигнала движущейся цели и может перекрывать диапазон анализируемых доплеровских частот сигнала цели. Энергетический центр тяжести спектра остатков пассивной помехи, прошедших полосовой фильтр и поступающих на вход частотного дискриминатора, смещает частоту слежения в контуре автосопровождения по частоте с истинного положения центра тяжести спектра доплеровского сигнала движущейся цели в положение, соответствующее энергетическому центру тяжести аддитивной смеси сигнала движущейся цели и остатков пассивной помехи на выходе полосового фильтра. При этом выходное напряжение частотного дискриминатора содержит постоянную составляющую ошибки, обусловленную влиянием остатков спектра пассивной помехи 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 полосового фильтра, а следовательно, и следящего фильтра, будет проходить сигнал движущейся цели с искаженным по отношению к входному сигналу спектром, а при большом значении ошибки слежения может наступить срыв слежения. Эти искажения спектра полезного сигнала вызывают неточность в работе последующих устройств обработки. Величина ошибки слежения не остается постоянной и изменяется как при изменении характеристик пассивных помех, так и при изменении средней доплеровской частоты сигнала движущейся цели, особенно для целей, имеющих малые доплеровские частоты, что вызывает случайный непредсказуемый характер результата фильтрации, обусловленный влиянием пассивной помехи на работу фильтра.

Задачей настоящего изобретения является создание следящего фильтра сигнала движущейся цели, обеспечивающего повышение точности фильтрации сигнала движущейся цели и помехоустойчивости работы за счет снижения влияния пассивной помехи на работу следящего фильтра.

Поставленная задача достигается тем, что в следящий фильтр сигнала движущейся цели, содержащий также, как и прототип, последовательно соединенные смеситель, первый полосовой фильтр, выход которого является выходом устройства, и частотный дискриминатор, последовательно соединенные блок управления и управляемый гетеродин, выход которого подключен ко второму входу смесителя, в отличие от прототипа, введены последовательно соединенные второй полосовой фильтр, вход которого подключен к выходу смесителя, первый детектор, первый блок вычитания, блок масштабирования и второй блок вычитания, второй вход которого подключен к выходу частотного дискриминатора, а выход подключен к входу блока управления, последовательно соединенные третий полосовой фильтр, вход которого подключен к выходу смесителя, и второй детектор, выход которого подключен ко второму входу первого блока вычитания.

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 фильтра, поясняющие принцип работы предлагаемого следящего фильтра.

Следящий фильтр сигнала движущейся цели (фиг.1) содержит также, как и прототип, последовательно соединенные смеситель 1, первый полосовой фильтр (ПФ) 2, выход которого является выходом устройства, и частотный дискриминатор 3, последовательно соединенные блок управления 4 и управляемый гетеродин 5, выход которого подключен ко второму входу смесителя 1.

В отличие от прототипа, предлагаемый следящий фильтр сигнала движущейся цели содержит последовательно соединенные второй ПФ 6, вход которого подключен к выходу смесителя 1, первый детектор 7, первый блок вычитания 8, блок масштабирования 9 и второй блок вычитания 10, второй вход которого подключен к выходу частотного дискриминатора 3, а выход подключен к входу блока управления 4, последовательно соединенные третий ПФ 11 и второй детектор 12, выход которого подключен ко второму входу первого блока вычитания 8.

На фиг.2 представлены спектры сигналов и амплитудно-частотные характеристики блоков, где

а) - спектр сигналов на первом входе смесителя 1,

б) - спектр сигнала на выходе управляемого гетеродина 5,

в) - спектр сигнала на выходе смесителя 1,

г) - амплитудно-частотные характеристики первого ПФ2 W₂(f), второго ПФ 6 W₆(f) и третьего ПФ 11 W₁₁(f),

д) - спектр сигнала на выходе первого ПФ 2,

е) - спектры сигналов на выходах второго ПФ 6 “к” и третьего ПФ 11 “з”,

ж) - дискриминационная характеристика частотного дискриминатора 3.

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, как показано на фиг.2.

Сигнал с выхода приемника радиолокатора, представляющий собой аддитивную смесь доплеровского сигнала движущейся цели, пассивной помехи и внутриприемного шума (фиг.2,а), поступает на первый вход смесителя 1, на второй вход которого поступает гармоническое колебание с частотой f_г от управляемого гетеродина 5 (фиг.2,б). Сигнал с выхода смесителя 1 (фиг.2,в) одновременно поступает на входы первого 2, второго 6 и третьего 11 ПФ. В дальнейшем управление частотой f_г колебаний управляемого гетеродина 5 осуществляется без смещения цепью слежения за доплеровской частотой f_д сигнала движущейся цели. Первый ПФ 2 отфильтровывает и усиливает сигнал разностной частоты f_пч=f_г-f_д. Первый ПФ 2 имеет амплитудно-частотные характеристики W₂(f) с центральной частотой настройки f_пч и шириной полосы пропускания (“и” на фиг.2), установленной равной возможной ширине спектра доплеровского сигнала движущейся цели, чтобы весь полезный спектр сигнала цели проходил на его выход без искажений. В результате этого спектральные составляющие сигналов помех и шумов, лежащие за пределами спектра сигнала движущейся цели, отфильтровываются первым ПФ 2, и на его выходе выделяется доплеровский сигнал движущейся цели с остатком пассивных помех и шумов, которые перекрываются с ним по спектру (фиг.2,д). Сигнал с выхода первого ПФ 2 одновременно подается на выход устройства и на вход частотного дискриминатора 3, дискриминационная характеристика которого (фиг.2,ж) перекрывает всю полосу пропускания первого ПФ 2 и имеет переходную частоту настройки f_o=f_пч, равную центральной частоте настройки f_пр первого ПФ 2. Сигнал на выходе частотного дискриминатора 3 пропорционален частотному рассогласованию между энергетическим центром тяжести сигнала f_ср на его входе (“м” на фиг.2) и переходной частотой f_o. Энергетический центр тяжести входного сигнала (“м” на фиг.2) частотного дискриминатора 3 находится в промежутке между энергетическим центром тяжести спектра доплеровского сигнала движущейся цели (“л” на фиг.2) и энергетическим центром тяжести спектра остатков пассивных помех (“н” на фиг.2), прошедших на выход первого ПФ 2. Вследствие влияния пассивной помехи часть спектра которой перекрывается со спектром сигнала цели, на формирование выходного напряжения частотного дискриминатора 3, возникает ошибка смещения (“п” на фиг.2) измеренного частотным дискриминатором 3 частотного рассогласования между энергетическим центром тяжести спектра доплеровского сигнала движущейся цели и переходной частотой f_o. Для компенсации этой ошибки смещения, обусловленной влиянием пассивной помехи, в следящем фильтре формируется напряжение компенсации, пропорциональное величине ошибки.

С этой целью сигнал с выхода смесителя 1 поступает на входы второго ПФ 6 и третьего ПФ 11, полосы пропускания которых (соответственно “к” и “з” на фиг.2) примыкают к полосе пропускания W₂(f) (“и” на фиг.2) первого ПФ 2 соответственно выше W₆(f) и ниже W₁₁(f) границ полосы пропускания. Эти второй 6 ПФ и третий 11 ПФ имеют узкие полосы пропускания и пропускают только спектральные составляющие пассивной помехи (фиг.2,е). Сигнал пассивной помехи с выхода второго ПФ 6, соответствующий верхней боковой частоте (фиг.2,е, “к”), поступает на вход первого детектора 7 и далее на первый вход первого блока вычитания 8. Сигнал пассивной помехи с выхода третьего ПФ 11, соответствующий нижней боковой частоте (фиг.2,е, “з”), поступает на вход второго детектора 12 и далее на второй вход первого блока вычитания 8. Сигнал на выходе первого блока вычитания 8 пропорционален асимметрии спектра пассивной помехи на краях полосы пропускания первого ПФ 2 и, следовательно, пропорционален ошибке смещения в сигнале на выходе частотного дискриминатора 3. С выхода первого блока вычитания 8 сигнал подается на вход блока масштабирования 9, который формирует напряжение компенсации ошибки смещения в соответствии с измеренной асимметрией спектра пассивной помехи и известной аппроксимацией формы ее спектра, в соответствии с которой задается коэффициент масштабирования. Выходной сигнал блока масштабирования 9 имеет величину, равную величине ошибки смещения в сигнале на выходе частотного дискриминатора 3. С выхода блока масштабирования 9 сигнал подается на первый (компенсирующий) вход второго блока вычитания 10, на второй (сигнальный) вход которого подается сигнал с выхода частотного дискриминатора 3. Во втором блоке вычитания 10 осуществляется вычитание напряжения сформированной оценки ошибки смещения с выхода блока масштабирования 9 из напряжения с выхода частотного дискриминатора 3, что уменьшает влияние пассивной помехи на работу контура автосопровождения по частоте следящего фильтра, т.е. повышается помехоустойчивость его работы. Полученное напряжение, которое уже не содержит составляющей, обусловленной влиянием пассивной помехи, с выхода второго блока вычитания 10 поступает на вход блока управления 4. Блок управления 4 вырабатывает напряжение, которое изменяет частоту f_г. колебаний управляемого гетеродина 5 таким образом, чтобы центральная частота спектра доплеровского сигнала движущейся цели на выходе смесителя 1 совпадала с центральной частотой f_пр первого ПФ 2. В устройстве осуществляется режим автоматического слежения за энергетическим центром тяжести только спектра сигнала движущейся цели. В дальнейшем управление частотой f_г колебаний управляемого гетеродина 5 осуществляется без смещения цепью слежения за доплеровской частотой f_д сигнала движущейся цели. Колебания с выхода первого ПФ 2 представляют собой аддитивную смесь отфильтрованного без искажений его спектра доплеровского сигнала движущейся цели, остатков пассивной помехи и шума. Ширина полосы спектра пассивных помех и шума на выходе следящего фильтра сигнала движущейся цели определяется шириной полосы пропускания первого ПФ 2, согласованной со спектром сигнала цели, и существенно уже полосы спектра помех и шума на входе следящего фильтра, что повышает выходное энергетическое соотношение сигнал/помеха и обеспечивает улучшение работы последующих устройств, причем спектр полезного сигнала не искажается.

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

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

Технический результат от использования предлагаемого следящего фильтра сигнала движущейся цели, в отличие от прототипа, заключается в повышении точности фильтрации сигнала движущейся цели и помехоустойчивости работы следящего фильтра за счет снижения влияния пассивной помехи 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 относится к области радиолокации, в частности к устройствам выделения доплеровских сигналов движущихся целей, принимаемых радиолокационной станцией совместно с сигналами пассивных помех, и может быть использовано в системах обнаружения, сопровождения и измерения скорости движущихся целей. 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 смеситель (1), полосовые фильтры (2, 6, 11), частотный дискриминатор (3), блок управления (4), управляемый гетеродин (5), детекторы (7, 12), блок масштабирования (9), блоки вычитания (8, 10). 2 ил.

Следящий фильтр сигнала движущейся цели, содержащий последовательно соединенные смеситель, первый полосовой фильтр, выход которого является выходом устройства, и частотный дискриминатор, последовательно соединенные блок управления и управляемый гетеродин, выход которого подключен ко второму входу смесителя, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные второй полосовой фильтр, вход которого подключен к выходу смесителя, первый детектор, первый блок вычитания, блок масштабирования и второй блок вычитания, второй вход которого подключен к выходу частотного дискриминатора, а выход подключен к входу блока управления, последовательно соединенные третий полосовой фильтр, вход которого подключен к выходу смесителя, и второй детектор, выход которого подключен ко второму входу первого блока вычитания.