СПОСОБ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ НА ФОНЕ СИЛЬНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ В ПРИЕМНОМ КАНАЛЕ ИМПУЛЬСНО-ДОПЛЕРОВСКИХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ Российский патент 2008 года по МПК G01S7/36 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в обзорных импульсно-доплеровских радиолокационных станциях (РЛС) для обнаружения эхо-сигналов от движущихся целей на фоне сильных несинхронных импульсных помех (НИП).

Импульсные помехи часто по своему уровню значительно превосходят принимаемые эхо-сигналы, затрудняя их обнаружение. При этом наиболее характерными импульсными помехами являются помехи, вызванные работой соседних (близкорасположенных) РЛС или других радиоустройств с импульсной модуляцией.

Основные из известных методов защиты от НИП, такие как применение схемы поддержания постоянного уровня ложных тревог с использованием нормализации по дальности, применение череспериодного коррелятора, применение схем ШОУ (широкополосный фильтр - ограничитель - узкополосный фильтр) и изменение рабочей поляризации (см., например, книгу Леонова А.И., Фомичева К.И. «Моноимпульсная радиолокация», М., «Радио и связь», 1984, с.240-243) недостаточно эффективны для борьбы со взаимными импульсными помехами, создаваемыми близкорасположенными РЛС; в частности, этот недостаток наиболее характерен для первых трех из перечисленных методов и выражен для четвертого метода в усложнении антенной системы.

В радиолокации также известна некогерентная обработка, реализуемая для защиты от НИП с помощью синхронного накопителя, в частности, в виде полосового гребенчатого фильтра на основе некогерентного накопителя, состоящего из квадратичного детектора и рециркулятора (см. книгу Финкельштейна М.И. «Основы радиолокации». М., «Радио и связь», 1983, с.352-354).

Такая обработка импульсных сигналов малоэффективна в отношении подавления сильных НИП и в настоящее время практически невостребована в обработке радиолокационных сигналов.

Наиболее близкой по технической сущности заявляемому способу (прототипом) является обработка импульсных сигналов на фоне шума и сильных импульсных помех, заключающаяся в амплитудном ограничении, оптимальной фильтрации и последетекторной некогерентной обработке, включающей некогерентное накопление (см. книгу Лезина Ю.С. «Введение в теорию и технику радиотехнических систем». М., «Радио и связь», 1986, с.209-210, 243-245).

Основным недостатком способа-прототипа является низкая эффективность подавления в РЛС взаимных сильных НИП, представляющих собой зондирующие импульсы второй (соседней) РЛС с фазовой структурой, оптимальной для фильтрации в первой РЛС.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности обработки, заключающееся в уменьшении вероятности ложной тревоги при работе РЛС в условиях наличия взаимных помех, вызванных работой соседней РЛС, при сохранении высокой чувствительности обработки. Кроме того, заявляемый способ в отличие от способа-прототипа допускает возможность подавления помеховых эхо-сигналов, соответствующих неоднозначным дальностям, за счет проведения обработки в условиях незначительной вобуляции периода зондирующих импульсов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе обработки сигналов на фоне сильных импульсных помех в приемном канале импульсно-доплеровских РЛС, заключающемся в амплитудном ограничении, оптимальной фильтрации и последетекторной некогерентной обработке, включающей некогерентное накопление, последетекторную некогерентную обработку принимаемых сигналов производят в пределах одного скользящего окна анализа путем последовательного проведения следующих операций: первое взвешивание в соответствии с законом определения весовых коэффициентов, который обратно пропорционален закону, описывающему диаграмму направленности антенны (ДНА); попарный отбор по минимуму из двух для взвешенных сигналов в смежных отводах; второе взвешивание с выходов отборов по минимуму из двух, при котором закон определения весовых коэффициентов прямо пропорционален квадрату закона, описывающего ДНА; суммирование после второго взвешивания.

В частном случае обработки длину скользящего окна анализа, в частности линии задержки с тремя отводами, выбирают по ширине ДНА на уровне 0,7 от ее максимума, при этом для первого взвешивания выбирают весовые коэффициенты, равные 0,8 для центрального отвода и 1,0 для остальных отводов, а для второго взвешивания - все весовые коэффициенты 1,0.

В заявляемом способе для подавления помеховых эхо-сигналов, соответствующих неоднозначным дальностям, предусмотрена возможность проведения обработки в условиях незначительной вобуляции периода зондирующих импульсов менее 0,1%.

Подтверждением соответствия заявляемого способа обработки критерию патентоспособности «изобретательский уровень» является новизна достигаемого в нем повышения эффективности подавления сильных взаимных импульсных помех (уменьшения вероятности ложной тревоги, которая обусловлена наличием таких помех) при высокой чувствительности обработки за счет введения в последетекторную некогерентную обработку перед некогерентным накоплением двух взвешиваний, учитывающих форму ДНА, в сочетании с отбором по минимуму из двух для сигналов после первого взвешивания в пределах одного и того же скользящего окна анализа.

Так известное в радиолокационной технике подавление сигналов соседнего радиолокатора (способ-аналог «критерийная обработка (2/3)») путем обработки в импульсно-доплеровском радиолокаторе принятых сигналов во временной области с помощью фильтрового устройства обработки данных с критерием «два из трех» (см. патент США №4717917, G01S 13/22, 1988) менее эффективно, т.к. несмотря на обеспечение подавления взаимных помех, характеризуется снижением чувствительности обработки и отсутствием возможности подавления помеховых эхо-сигналов, соответствующих неоднозначным дальностям

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ обработки сигналов на фоне сильных импульсных помех в приемном канале импульсно-доплеровских РЛС; на фиг.2 - структурно-функциональная схема блока некогерентной обработки в составе устройства, реализующего предлагаемый способ, в общем случае; на фиг.3 - структурно-функциональная схема блока некогерентной обработки в составе устройства, реализующего предлагаемый способ, в случае использования в качестве скользящего окна анализа линии задержки с тремя отводами; на фиг.4 - сравнительные кривые характеристик обнаружения по заявляемому способу, способу-прототипу и способам-аналогам - обработке с помощью фильтрового устройства с критериями «два из трех» и «три из трех».

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит последовательно включенные в его структурной схеме амплитудный ограничитель (АО) 1, оптимальный фильтр (ОФ) 2, амплитудный детектор (АД) 3 и блок некогерентной обработки (НО) 4 (см. фиг.1).

Структура цепочки: АО 1, ОФ 2 и АД 3 с точки зрения функциональных связей этих блоков известна (см. способ-прототип и справочник «Радиоэлектронные системы: основы построения и теория». Под ред. Я.Д.Ширмана. М., ЗАО «МАКВИС», 1998, с.407).

При этом блок некогерентной обработки 4 в общем случае (см. фиг.2) состоит из скользящего окна анализа 5 с отводами сигналов, соединенными каждый со своим умножителем 6 для первого взвешивания сигналов, имеющим на выходе по два отвода. Эти отводы подсоединены попарно, по одному от выходов соседних умножителей 6, к точкам подвода сигналов ячеек 7 для попарного отбора сигналов по минимуму из двух в смежных отводах. Каждая ячейка 7 на выходе имеет отвод, подсоединенный к входу отдельного умножителя 8 для второго взвешивания сигналов. Выходы умножителей 8 подсоединены к многоканальному входу сумматора 9.

В частном примере реализации заявляемого способа (см. фиг.3) используемая в качестве скользящего окна анализа линия задержки 10 имеет три отвода, центральный из которых соединен с умножителем 11, имеющим на выходе два отвода, по одному подсоединенные к двум ячейкам 12 для отбора сигналов по минимуму из двух, каждая из которых имеет на входе по одному боковому отводу от линии задержки 10 и на выходе по одному отводу, которые подсоединены к двухканальному входу сумматора 13.

Предлагаемый способ обработки сигналов на фоне сильных импульсных помех в приемном канале импульсно-доплеровских РЛС осуществляют следующим образом.

Принимаемую смесь эхо-сигналов и импульсных помех после аналого-цифрового преобразования и обработки в фильтре селекции движущихся целей, в частности в полосовом доплеровском фильтре, направляют в АО 1 (см. фиг.1) для ограничения динамического диапазона сигналов и защиты от НИП, после чего - в ОФ 2 для сжатия эхо-сигналов и продетектированную в АД 3 смесь сигналов в виде амплитудной информации подвергают последетекторной некогерентной обработке в блоке НО 4.

В блоке НО 4 смесь принимаемых эхо-сигналов и сильных импульсных помех (сохранившихся после обработки в АО 1) подвергают следующим операциям в пределах одного и того же скользящего окна анализа 5 (см. фиг.2):

а) первое взвешивание в отводах скользящего окна анализа 5, реализуемое путем умножения сигналов в умножителях 6 на весовые коэффициенты K₁...К_N, закон определения которых обратно пропорционален закону, описывающему ДНА;

б) попарный отбор по минимуму из двух для (взвешенных) сигналов в смежных отводах от соседних умножителей 6 с помощью ячеек 7;

в) второе взвешивание в отводах от ячеек 7, реализуемое путем умножения в умножителях 8 на весовые коэффициенты Р₁...Р_N, закон определения которых прямо пропорционален квадрату закона, описывающего ДНА;

г) суммирование с помощью сумматора 9, соединяющего выходы отводов от умножителей 8 в своем многоканальном входе.

При этом попарный отбор по минимуму из двух в сочетании с двумя взвешиваниями, учитывающими форму ДНА, при некогерентном накоплении обеспечивает (в отличие от способа-прототипа) подавление взаимных помех (от соседней РЛС) при приемлемой чувствительности обработки.

В примере выполнения блока НО 4 на основе скользящего окна анализа 5 в виде линии задержки 10 (см. фиг.3) с тремя отводами, длину которой выбирают (для улучшения энергетических соотношений в обработке) по ширине ДНА на уровне 0,7 от ее максимума, обработку принимаемой смеси эхо-сигналов и сильных импульсных помех подвергают операциям аналогичным образом:

а) первое взвешивание в центральном отводе скользящего окна анализа 10, реализуемое путем умножения сигналов в умножителе 11 на оптимальный весовой коэффициент, равный 0,8, без взвешивания в остальных отводах (при весовых коэффициентах в этих отводах, равных 1,0);

б) попарный отбор по минимуму из двух для (взвешенных) сигналов в двух парах смежных отводов: боковой отвод от линии задержки 10 и отвод от умножителя 11, с помощью ячеек 12;

в) суммирование с помощью сумматора 13, соединяющего на двухканальном входе выходы отводов от двух ячеек 11, без второго взвешивания в отводах от ячеек 11 (при весовых коэффициентах в этих отводах 1,0).

В общем и частном случае (см. фиг.2 и 3) реализации предлагаемого способа сигналы после изложенной некогерентной обработки направляют на схему обнаружения, представляющую собой устройство формирования порога обнаружения в тракте первичной обработки.

Предлагаемый способ (в отличие от способа-прототипа) допускает возможность проведения обработки в условиях незначительной вобуляции периода зондирующих импульсов менее 0,1% для подавления помеховых эхо-сигналов, соответствующих неоднозначным дальностям.

Для оценки потерь чувствительности в заявляемом способе произведено математическое моделирование для следующих параметров: ширина диаграммы направленности антенны 3,4°, шаг выборок по азимуту 1,7°, период вобуляции 48 мс. Получены кривые обнаружения D(q) (см. фиг.4) для заявляемого способа (весовой критерийный (бинарный) накопитель), способа-прототипа (некогерентный накопитель) и двух способов-аналогов (критерийная обработка - 2 из 3-х и 3 из 3-х).

Как видно из указанных кривых, заявляемый способ при обнаружении пороговых сигналов имеет потери в среднем 0,5 дБ по сравнению со способом-прототипом и имеет на 0,2 дБ в среднем более высокую чувствительность по сравнению с первым способом-аналогом (критерийная обработка - 2 из 3-х).

Второй способ-аналог (критерийная обработка - 3 из 3-х) позволяет повысить эффективность подавления взаимных помех и обеспечить возможность подавления помеховых эхо-сигналов, соответствующих неоднозначным дальностям, за счет проведения обработки в условиях незначительной вобуляции периода зондирующих импульсов (см, указанную книгу Лезина Ю.С., с.246-258), но при больших потерях в обнаружении (от 1 до 4 дБ в среднем) по сравнению с заявляемым способом.

Вероятности обнаружения мощной взаимной помехи Р_вп (обнаружение мощной взаимной помехи является ложной тревогой) в заявляемом способе и способе-прототипе при увеличении на участке ОФ 2-АД 3 соотношения сигнал (взаимная помеха)/шум, не превышающего 12 дБ, составляют в заявляемом способе

где Δr - разрешающая способность по дальности;

Т - период вобуляции (или период зондирующих импульсов в случае отсутствия вобуляции);

с - скорость распространения электромагнитных волн (3·10⁸ м/с);

в способе-прототипе:

Р_вп≈1,

т.к. увеличение отношения сигнал (взаимная помеха)/шум - ΔQ складывается из

ΔQ=Q_{max. огр}+ΔQ_оф-ΔQ_нн=10 дБ+14,5 дБ-4,2 дБ=20,3 дБ,

где Q_{max. огр} - уровень ограничения в амплитудном ограничителе (10 дБ);

ΔQ_оф - улучшение отношения сигнал/шум в оптимальном фильтре (14,5 дБ);

ΔQ_нн - увеличение мощности шума в некогерентном накопителе (10log(1²+0,8²+1²)=4,2 дБ).

Величина Р_вп для критерийной обработки 2 из 3-х определяется так же, как и для заявляемого способа, для критерийной обработки 3 из 3-х - как указанная величина для заявляемого способа, возведенная в квадрат: (3,608·10^-5)².

Таким образом, заявляемый способ обладает новизной технического результата (сочетания характеристик) в сравнении с прототипом и двумя приводимыми аналогами, что следует из прилагаемой таблицы.

Способ обработкиПотери в обнаружении в сравнении с некогерентным накоплением, дБВероятность обнаружения взаимной помехиПодавление сигнала с неоднозначной дальности в условиях дополнительной незначительной вобуляцииЗаявляемый способ0,53,608·10^-52-кратная вобуляцияСпособ-прототип0˜1нетСпособ-аналог с критерием 2/30,73,608·10^-53-кратная вобуляцияСпособ-аналог с критерием 3/31-41,302·10^-92-кратная вобуляция

Заявляемый способ характеризуется выигрышным сочетанием низкой вероятности обнаружения ложной тревоги по сигналу взаимной помехи и малыми потерями в чувствительности, а также возможностью подавления сигнала с неоднозначной дальности с минимальной кратностью дополнительной вобуляции периода зондирующих импульсов.

Изобретение может быть использовано в обзорных импульсно-доплеровских радиолокационных станциях (РЛС) для обнаружения эхо-сигналов от движущихся целей на фоне сильных несинхронных импульсных помех. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение эффективности обработки в результате уменьшения вероятности ложной тревоги. Указанный результат достигается за счет того, что в приемном канале импульсно-доплеровских РЛС, включающем амплитудное ограничение, оптимальную фильтрацию и некогерентное накопление, при проведении некогерентного накопления после амплитудного детектирования в пределах скользящего окна анализа сигналы подвергают операциям в следующем порядке: первое взвешивание в соответствии с законом определения весовых коэффициентов, который обратно пропорционален закону, описывающему диаграмму направленности антенны; попарный отбор по минимуму из двух для взвешенных сигналов в смежных отводах скользящего окна; второе взвешивание с выходов отборов по минимуму из двух, при котором закон определения весовых коэффициентов прямо пропорционален квадрату закона, описывающего диаграмму направленности антенны; суммирование после второго взвешивания. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ обработки сигналов на фоне сильных импульсных помех в приемном канале импульсно-доплеровских радиолокационных станций, заключающийся в амплитудном ограничении, оптимальной фильтрации и последетекторной некогерентной обработке, включающей некогерентное накопление, отличающийся тем, что последетекторную некогерентную обработку принимаемых сигналов производят в пределах одного скользящего окна анализа путем последовательного проведения следующих операций: первое взвешивание в соответствии с законом определения весовых коэффициентов, который обратно пропорционален закону, описывающему диаграмму направленности антенны; попарный отбор по минимуму из двух для взвешенных сигналов в смежных отводах; второе взвешивание с выходов отборов по минимуму из двух, при котором закон определения весовых коэффициентов прямо пропорционален квадрату закона, описывающего диаграмму направленности антенны; суммирование после второго взвешивания.2. Способ обработки по п.1, отличающийся тем, что длину скользящего окна анализа, в частности линии задержки с тремя отводами, выбирают по ширине диаграммы направленности антенны на уровне 0,7 от ее максимума, при этом для первого взвешивания выбирают весовые коэффициенты, равные 0,8 для центрального отвода и 1,0 для остальных отводов, а для второго взвешивания - все весовые коэффициенты 1,0.3. Способ обработки по п.1, отличающийся тем, что обработку проводят в условиях незначительной вобуляции периода зондирующих импульсов менее 0,1% для подавления помеховых эхо-сигналов, соответствующих неоднозначным дальностям.