КОРРЕЛЯЦИОННО-ФИЛЬТРОВОЕ УСТРОЙСТВО СЕЛЕКЦИИ ДВИЖУЩИХСЯ ЦЕЛЕЙ Российский патент 2005 года по МПК G01S13/526 G01S13/53 

Изобретение относится к радиоприемной технике обработки импульсно-доплеровских сигналов и может быть использовано в радиолокационных системах (РЛС) с пачечным зондирующим сигналом с большим числом частот повторения импульсов, сменяемых от пачки к пачке.

Известно корреляционно-фильтровое устройство селекции движущихся целей, содержащее центральный режекторный фильтр; N каналов, каждый из которых содержит ключ и боковой режекторный фильтр; последовательно соединенные синхронизатор и стробируемый усилитель; последовательно соединенные перестраиваемый гетеродин, смеситель, усилитель и набор узкополосных фильтров; полосовой фильтр; общий ключ. Вход центрального режекторного фильтра соединен с сигнальными входами всех каналов, а управляющие входы ключей всех каналов соединены с соответствующими выходами синхронизатора; выход стробируемого усилителя через полосовой фильтр соединен с входом центрального режекторного фильтра; выход бокового режекторного фильтра N-го канала соединен через общий ключ с вторым входом смесителя; управляющий вход общего ключа соединен с дополнительным выходом синхронизатора; в каждом из N каналов выход ключа соединен с входом бокового режекторного фильтра того же канала, выход которого соединен с входом бокового режекторного фильтра соседнего канала, а выход бокового режекторного фильтра N-гo канала соединен с сигнальным входом общего ключа [1].

В описанном устройстве, выбранном в качестве аналога и прототипа изобретения, осуществляется стробирование входного сигнала по времени, подавление в каждом стробе спектральных линий пассивных помех и фильтрация полезных сигналов по доплеровской частоте. При этом набор узкополосных фильтров, являющийся по своей сути спектроанализатором, может быть реализован как в аналоговом, так и в цифровом виде с предварительным оцифрением принимаемого сигнала на выходе усилителя. В аналоговой реализации доплеровская фильтрация производится с помощью набора узкополосных кварцевых фильтров [2] или резонансных интеграторов со сбросом [3], а в цифровой реализации - с помощью гребенки цифровых фильтров или алгоритма быстрого преобразования Фурье [4].

Недостатком аналоговой реализации спектроанализатора является ограниченное количество доплеровских фильтров в заданном объеме аппаратуры и сложность системы опроса фильтров. Недостатком цифровой реализации спектроанализатора является ограниченный динамический диапазон аналого-цифровых преобразователей (АЦП), возникновение шумов квантования и возможные искажения спектра сигнала за счет его размножения при дискретизации в АЦП.

Таким образом, причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при осуществлении известного устройства-прототипа, является недостаточная защищенность от спектральных линий (главных лепестков спектра) пассивных помех, так как при большом наборе частот повторения импульсов в РЛС и ограниченном количестве боковых режекторных фильтров и коммутаторов часть спектральных линий помехи не будет подавлена. Другим недостатком является недостаточная защищенность от боковых лепестков спектра пачки пассивных помех, при этом слабые полезные сигналы неразличимы на фоне этого спектра.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является повышение помехозащищенности корреляционно-фильтрового устройства селекции движущихся целей при наличии мощных пассивных помех.

Указанный технический результат достигается тем, что в известное корреляционно-фильтровое устройство селекции движущихся целей, содержащее стробируемый усилитель, первый вход которого является входом устройства, синхронизатор, первый выход которого соединен со вторым входом стробируемого усилителя, перестраиваемый гетеродин, первый полосовой фильтр, режекторный фильтр, ключ, смеситель, усилитель и спектроанализатор, выход которого является выходом устройства, согласно изобретению введены следящий компенсационный режекторный фильтр, второй полосовой фильтр, модулятор, следящий синтезатор частоты и генератор весовой функции, при этом стробируемый усилитель, следящий компенсационный режекторный фильтр, первый полосовой фильтр, режекторный фильтр, ключ, смеситель, второй полосовой фильтр, усилитель, модулятор и спектроанализатор включены последовательно; следящий компенсационный режекторный фильтр содержит в прямом канале алгебраический сумматор, а в компенсирующем канале - гетеродинно-перестраиваемый фильтр, содержащий последовательно включенные первый аналоговый перемножитель, узкополосный фильтр и второй аналоговый перемножитель, причем первый вход алгебраического сумматора и первый вход первого аналогового перемножителя объединены и являются первым входом следящего компенсационного режекторного фильтра, который подключен к выходу стробируемого усилителя, вторые входы первого и второго аналоговых перемножителей объединены и являются вторым входом следящего компенсационного режекторного фильтра, который подключен к выходу следящего синтезатора частоты, выход второго аналогового перемножителя соединен со вторым входом алгебраического сумматора, выход которого является выходом следящего компенсационного режекторного фильтра, который подключен к входу первого полосового фильтра; управляющий вход следящего синтезатора частоты соединен с первым выходом синхронизатора, второй выход которого соединен с управляющим входом ключа и управляющим входом генератора весовой функции, выход которого соединен со вторым входом модулятора.

Такая структура корреляционно-фильтрового приемного канала позволяет эффективно подавлять как спектральные линии (главные лепестки спектра) пассивных помех, так и боковые лепестки этого спектра, сохраняя неизменными спектральные линии полезных доплеровских сигналов в полосе пропускания второго полосового фильтра, согласованного по полосе пропускания с суммарной полосой спектроанализатора в виде набора узкополосных (доплеровских) фильтров. Кроме того, за счет гладкой весовой обработки в модуляторе остатков подавления сигнала пассивных помех осуществляется сглаживание переходного процесса режекторных фильтров и существенное подавление боковых лепестков их спектра в полосе второго полосового фильтра настолько, что становится возможным эффективно выделять спектральные линии малых доплеровских сигналов. Введение вместо N каналов, каждый из которых содержит ключ и боковой режекторный фильтр, следящего компенсационного режекторного фильтра в качестве бокового режекторного фильтра обеспечивает его автоматическую настройку на боковую спектральную линию помехи при любом количестве частот повторения импульсов в РЛС, увеличивая тем самым качество подавления боковых спектральных линий помехи при минимальном (единственном), по сравнению с прототипом, числе боковых режекторных фильтров. При этом при цифровой реализации набора узкополосных фильтров спектроанализатора весовая обработка сигнала может быть введена в алгоритм его цифровой обработки вместо аналоговой обработки с помощью аналогового модулятора и генератора весовой функции.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены: фиг.1 - функциональная схема корреляционно-фильтрового устройства селекции движущихся целей; фиг.2 - амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) устройства; фиг.3 - временные характеристики работы устройства; фиг.4 - спектральные характеристики устройства.

Корреляционно-фильтровое устройство селекции движущихся целей (фиг.1) содержит последовательно включенные стробируемый усилитель 1, следящий компенсационный режекторный фильтр (КРФ) 2, первый полосовой фильтр (ПФ) 3, режекторный фильтр 4, ключ 5, смеситель 6, второй ПФ 7, усилитель 8, модулятор 9 и спектроанализатор 10 в виде набора узкополосных фильтров, выход которого является выходом устройства; синхронизатор 11, следящий синтезатор частоты 12, управляемый гетеродин 13 и генератор весовой функции 14. Первый выход синхронизатора 11 соединен с управляющим входом следящего синтезатора частоты 12 и со вторым входом (пробируемого усилителя 1, первый вход которого является входом устройства и подключен к источнику принимаемых сигналов импульсно-доплеровской РЛС. Второй выход синхронизатора 11 соединен с управляющим входом ключа 5 и управляющим входом генератора весовой функции 14. Выход управляемого гетеродина 13 соединен со вторым входом смесителя 6, а выход генератора весовой функции 14 - со вторым входом модулятора 9.

Следящий КРФ 2 содержит в прямом канале алгебраический сумматор 15, а в компенсирующем канале последовательно соединенные первый аналоговый перемножитель 16, узкополосный фильтр 17 и второй аналоговый перемножитель 18. Первые входы первого аналогового перемножителя 16 и алгебраического сумматора 15 объединены и, являясь первым входом следящего КРФ 2, подключены к выходу стробируемого усилителя 1. Вторые входы первого 16 и второго 18 аналоговых перемножителей объединены и, являясь вторым входом следящего КРФ 2, подключены к выходу следящего синтезатора частоты 12. Выход второго аналогового перемножителя 18 соединен со вторым входом алгебраического сумматора 15, выход которого является выходом следящего КРФ 2 и подключен к входу первого ПФ 3. Если на первом и втором входах алгебраического сумматора 15 колебания принимаемого и компенсирующего сигналов противофазны, то он выполняет функцию суммирования сигналов, в противном случае - функцию вычитания сигналов.

В качестве следящего синтезатора частоты 12 может быть использован известный синтезатор частот, содержащий опорный стабильный генератор и последовательно включенные импульсный фазовый детектор, управляемый синусоидальный генератор и смеситель, второй вход которого соединен с выходом опорного стабильного генератора, а выход - с вторым входом фазового детектора, первый вход которого является управляющим входом следящего синтезатора частоты, выходом которого является выход управляемого синусоидального генератора [5]. В заявленном устройстве (фиг.1) первый вход фазового детектора соединен с первым выходом синхронизатора 11 и управляется с частотой повторения строб импульсов, а выход управляемого синусоидального генератора подключен ко второму входу КРФ 2.

Первый ПФ 3 является однополосным с полосой пропускания несколько большей, чем максимальная частота повторения импульсов РЛС. Второй ПФ 7 является узкополосным с полосой пропускания, равной суммарной полосе пропускания спектроанализатора 10. Он выполнен с возможностью перестройки в диапазоне доплеровских частот с помощью смесителя 6 и управляемого гетеродина 13.

Модулятор 9 выполнен в виде аналогового перемножителя.

В качестве генератора весовой функции 14 использован известный функциональный генератор, содержащий кварцевый генератор, n последовательно включенных интеграторов, первый и второй ключи, амплитудный детектор и формирователь импульсов, вход которого является входом синхронизации генератора, а выход подключен к соединенным между собой входам сброса интеграторов и к управляющим входам первого и второго колючей; первый информационный вход первого интегратора подключен через первый ключ к выходу кварцевого генератора, выход n-го интегратора подключен через второй ключ к первому выходу генератора и к входу амплитудного детектора, выход которого является вторым выходом генератора, причем интеграторы выполнены в виде кварцевых резонаторов со сбросом колебаний в конце интервала накопления [6]. В заявленном устройстве (фиг.1) вход формирователя импульсов генератора 14 соединен со вторым выходом синхронизатора 11, а в качестве выхода генератора использован второй его выход, который подключен ко второму входу модулятора 9.

Корреляционно-фильтровое устройство селекции движущихся целей работает следующим образом. На вход стробируемого усилителя 1, осуществляющего с помощью строб импульсов, поступающих от синхронизатора 11, стробирование сигналов по времени (дальности), поступает аддитивная смесь (сумма) радиоимпульсов пассивной помехи и доплеровских сигналов, в общем случае совпадающих по времени, имеющих период повторения Т=1/F с частотой заполнения радиоимпульсов помехи ƒ_ПЧ, и радиоимпульсов доплеровского сигнала С_Д ƒ_ПЧ+F_Д, где ƒ_ПЧ - промежуточная частота канала, F - частота повторения импульсов, F_Д - доплеровский сдвиг частоты сигнала от движущегося объекта, при этом амплитуда импульсов помехи существенно превышает амплитуду импульсов полезного сигнала. На фиг.2 упрощенно показаны частотные диаграммы работы корреляционно-фильтрового канала: а) спектральные линии пассивной помехи при частотах повторения импульсов F₁ и F₂ и спектральная линия полезного доплеровского сигнала С_Д; б) АЧХ первого (однополосного) ПФ 3 (ОПФ), режекторного фильтра 4 (РФ₀) и следящего КРФ 2 в режиме частоты повторения F₁; в) те же АЧХ в режиме частоты повторения F₂ с гетеродинной перестройкой следящего КРФ 2 с помощью следящего синтезатора частоты 12; г) АЧХ второго ПФ 7 (ВПФ) с гетеродинной перестройкой с помощью управляемого гетеродина 13 (на фиг.2а показана только одна спектральная линия полезного сигнала С_Д, которая и используется в импульсно-доплеровских РЛС). При смене частоты повторения импульсов F боковые спектральные линии помехи меняют свои места относительно частоты ƒ_ПЧ, а центральная линия остается неподвижной (фиг.2а). При этом настройка следящего КРФ 2 синхронно изменяется с частотой F. Для этого компенсирующий канал следящего КРФ 2 сделан гетеродинно-перестраиваемым (в виде возвратного гетеродинирования его входного сигнала) с помощью аналоговых перемножителей 16, 18, для чего на их гетеродинные (вторые) входы подается гетеродинное напряжение с выхода следящего синтезатора частоты 12 с частотой ƒ_CC=ƒ_Г+F, где ƒ_Г=ƒ_ПЧ±ƒ_Ф, ƒ_Ф - центральная частота узкополосного фильтра 17, удобная для его построения, a ƒ_Г - частота опорного стабильного генератора синтезатора частоты 12. Это обеспечивает автоматическую настройку следящего КРФ 2 точно на боковую спектральную линию помехи с частотой ƒ_ПЧ+F. При этом возможные комбинационные частоты первого аналогового перемножителя 16 компенсирующего канала следящего КРФ 2 подавляются узкополосным фильтром 17, а комбинационные частоты второго аналогового перемножителя 18 подавляются первым ПФ 3, что является существенным преимуществом гетеродинно-перестраиваемого КРФ перед обычными гетеродинно-перестраиваемыми режекторными фильтрами.

Как видно из фиг.2, первый ПФ 3 с полосой пропускания несколько большей, чем F_МАКС, пропускает только центральную (на частоте ƒ_ПЧ) и одну боковую (на частоте ƒ_ПЧ+F) спектральные линии помехи, которые подавляются, соответственно, режекторным фильтром 4 (РФ₀) и следящим КРФ 2, при этом рабочая спектральная линия полезного сигнала (на частоте ƒ_ПЧ+F_Д) выделяется вторым ПФ 7 (ВПФ) в полосе набора узкополосных (доплеровских) фильтров спектроанализатора 10. Остальные спектральные линии помехи и сигнала подавляются полосами задержания первого 3 и второго 7 полосовых фильтров. Последний может гетеродинно перестраиваться в диапазоне доплеровских частот с помощью смесителя 6 и управляемого гетеродина 13 с частотой ƒ_УГ=ƒ_ПЧ+ƒ_ВПФ, где ƒ_ВПФ - частота настройки второго ПФ 7, удобная для его построения.

На фиг.3 для примера представлены осциллограммы работы корреляционно-фильтрового канала: а) пачка из 300 когерентных импульсов смеси помехи и сигнала на выходе стробируемого усилителя 1, при этом амплитуда импульсов максимального полезного сигнала на 40 дБ ниже амплитуды импульсов помехи; б) непрерывные колебания на выходе режекторного фильтра 4 (осциллограмма 1) и на выходе ключа 5 (осциллограмма 2); в) непрерывные колебания на выходе второго ПФ 7 (осциллограмма 1) и на выходе модулятора 9 (осциллограмма 2) (для сравнительной оценки осциллограмм усиление усилителя 8 принято равным 1). На фиг.3б показаны переходные процессы на переднем и заднем фронтах пачки смеси (осциллограммы 1), которые забивают смеситель 6 и усилитель 8. Для исключения их влияния производится их вырезание с помощью ключа 5 (осциллограмма 2), управляемого импульсом, поступающим со второго выхода синхронизатора 11, длительностью 250 Т, задержанным относительно начала пачки на время переходного процесса T_ПП=50 Т. Значительно ослабленные (после вырезания переходных процессов) колебания смеси создают небольшой переходной процесс на выходе второго ПФ 7 (осциллограмма 1 фиг.3в), которые сглаживаются на выходе модулятора 9 (осциллограмма 2 фиг.3в) с помощью весовой функции, например типа СОS²(x), формируемой генератором весовой функции 14 на интервале импульса коммутации ключа 5. В целом осциллограммы фиг.3 показывают, что импульсы и колебания полезного сигнала на фоне импульсов и колебаний помехи неразличимы. Их различие проявляется только в спектральной области с помощью спектроанализатора 10.

Спектрограммы работы корреляционно-фильтрового канала представлены на фиг.4, где: а) спектр пачки импульсов смеси на выходе стробируемого усилителя 1; б) спектры на выходе режекторного фильтра 4 (спектрограмма 1) и на выходе ключа 5 (спектрограмма 2); в) спектры на выходе второго ПФ 7 (спектрограмма 1) и на выходе модулятора 9 (спектрограмма 2) при усилении усилителя 8, равном 1. Как видно из фиг.4а, спектр даже максимального полезного сигнала на частоте ƒ_ПЧ+F_Д неразличим на фоне боковых лепестков спектра пачки помехи. После режекции этого спектра в следящем КРФ 2 и режекторном фильтре 4 и фильтрации в полосе первого ПФ 3 происходит подавление только главных лепестков спектра помехи на частотах ƒ_ПЧ и ƒ_ПЧ+F, а боковые лепестки спектра помехи в полосе пропускания первого ПФ 3 остаются неизменными и подавляются только за его полосой (спектрограмма 1 фиг.4б), при этом спектр полезного сигнала по-прежнему неразличим. Он становится различим после вырезания переходных процессов на выходе ключа 5 (спектрограмма 2 фиг.4б), однако уровень боковых полос помехи еще значителен и не позволяет различать слабые полезные сигналы. Второй ПФ 7 позволяет существенно подавить главные лепестки спектра помехи, но не подавляет боковые полосы помехи в его полосе пропускания (спектрограмма 1 фиг.4в), несколько подавляя их за полосой пропускания. И только весовая обработка в модуляторе 9 позволяет практически полностью освободиться от боковых лепестков спектра помех и наиболее эффективно выделить спектр полезного доплеровского сигнала (спектрограмма 2 фиг.4в). Положительным эффектом вырезания переходных процессов на выходе ключа 5 (спектрограмма 2 фиг.46) является то, что ослабленные спектральные линии помехи на частотах ƒ_ПЧ и ƒ_ПЧ+F существенно снижают уровень комбинационных помех смесителя 6 в полосе пропускания второго ПФ 7. Поэтому режекторно-полосовая фильтрация помех в следящем КРФ 2, первом ПФ 3 и режекторном фильтре 4 играет роль эффективного преселектора смесителя 6, позволяя ограничиться одним номиналом однополосного фильтра во всем доплеровском диапазоне частот.

Таким образом, при осуществлении изобретения предложенная структура корреляционно-фильтрового канала обеспечивает на выходе устройства селекции подвижных целей чрезвычайно эффективное выделение спектральной линии полезного доплеровского сигнала на фоне подавленных спектральных линий и боковых лепестков спектра мощных импульсов помех от местных предметов, действующих на входе устройства, и обеспечивает тем самым эффективное применение пачечных зондирующих сигналов в импульсно-доплеровских РЛС.

Источники информации

1. RU №1285924, 1985, MПK G 01 S 13/52.

2. В.А.Мартынов, Ю.И.Селихов. Панорамные приемники и анализаторы спектра. М.: Сов. радио, 1980, стр.16-24, рис.1.4, рис.1.9.

3. SU №359668, 1971, МПК G 06 G 7/18.

4. Л.Рабинер, Б.Гоулд. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978, стр.427, фиг.6.19.

5. Радиоприемные устройства. Под ред. Л.Г.Барулина. М.: Радио и связь, 1984, стр.68-69, рис.3.1,6.

6. SU №1420602,1985, МПК G 06 G 7/26.

Корреляционно-фильтровое устройство селекции движущихся целей относится к радиоприемной технике обработки импульсно-доплеровских сигналов и может быть использовано в радиолокационных системах (РЛС) с пачечным зондирующим сигналом с большим числом частот повторения импульсов, сменяемых от пачки к пачке. Достигаемый технический результат - повышение помехозащищенности корреляционно-фильтрового устройства при наличии мощных пассивных помех. Устройство содержит синхронизатор (11), следящий синтезатор частоты (12), перестраиваемый гетеродин (13), генератор весовой функции (14), стробируемый усилитель (1), следящий компенсационный режекторный фильтр (2), полосовые фильтры (3,7), режекторный фильтр (4), ключ (5), смеситель (6), усилитель (8), модулятор (9) и спектроанализатор (10). Следящий компенсационный режекторный фильтр содержит в прямом канале алгебраический сумматор (15), а в компенсирующем канале - гетеродинно-перестраиваемый фильтр, состоящий из последовательно включенных первого аналогового перемножителя (16), узкополосного фильтра (17) и второго аналогового перемножителя (18). Единственный, по сравнению с прототипом, боковой режекторный фильтр 2 обеспечивает автоматическую настройку устройства на боковую спектральную линию помехи при любом количестве частот повторения импульсов в РЛС. 4 ил.

Корреляционно-фильтровое устройство селекции движущихся целей, содержащее стробируемый усилитель, первый вход которого является входом устройства, синхронизатор, первый выход которого соединен со вторым входом стробируемого усилителя, перестраиваемый гетеродин, первый полосовой фильтр, режекторный фильтр, ключ, смеситель, усилитель и спектроанализатор, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что в него введены следящий компенсационный режекторный фильтр, второй полосовой фильтр, модулятор, следящий синтезатор частоты и генератор весовой функции, при этом стробируемый усилитель, следящий компенсационный режекторный фильтр, первый полосовой фильтр, режекторный фильтр, ключ, смеситель, второй полосовой фильтр, усилитель, модулятор и спектроанализатор включены последовательно; следящий компенсационный режекторный фильтр содержит в прямом канале алгебраический сумматор, а в компенсирующем канале - гетеродинно-перестраиваемый фильтр, содержащий последовательно включенные первый аналоговый перемножитель, узкополосный фильтр и второй аналоговый перемножитель, причем первый вход алгебраического сумматора и первый вход первого аналогового перемножителя объединены и являются первым входом следящего компенсационного режекторного фильтра, вторые входы первого и второго аналоговых перемножителей объединены и являются вторым входом следящего компенсационного режекторного фильтра, который подключен к выходу следящего синтезатора частоты, выход второго аналогового перемножителя соединен со вторым входом алгебраического сумматора, выход которого является выходом следящего компенсационного режекторного фильтра; управляющий вход следящего синтезатора частоты соединен с первым выходом синхронизатора, второй выход которого соединен с управляющим входом ключа и управляющим входом генератора весовой функции, выход которого соединен со вторым входом модулятора, а выход перестраиваемого гетеродина соединен со вторым входом смесителя.