Устройство доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов Российский патент 2020 года по МПК G01S13/26 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для разработки и модернизации устройств доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов, что обеспечивает повышение тактико-технических характеристик и эффективности использования первичных радиолокационных станций (РЛС).

В радиолокационных станциях, работающих в импульсном режиме, повышение разрешающей способности по дальности (при сохранении энергии сигнала) может быть достигнуто благодаря использованию внутриимпульсной модуляции, в частности, фазовой манипуляции и последующей обработкой (сжатием по времени) отраженных радиолокационных сигналов. При этом большая длительность радиоимпульсов обеспечивает энергию сигнала, необходимую для обнаружения летательных аппаратов (ЛА), а внутриимпульсная фазовая манипуляция и сжатие - заданное разрешение по дальности.

В настоящее время широкое распространение получило использование сигналов с фазовой манипуляцией 0-π между временными элементами длинного радиоимпульса, выполненной в соответствии с кодами Баркера. Последующая оптимальная или подоптимальная обработка таких сигналов обеспечивает их сжатие по времени до величины, соответствующей длительности одного элемента [1].

Устройство доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов является составной частью приемопередающего тракта РЛС и обеспечивает когерентное накопление и доплеровскую фильтрацию фазоманипулированного (ФМ) сигнала с повышенным разрешением по скорости ЛА, а также сжатие ФМ сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство обработки фазоманипулированных радиолокационных сигналов, выбранное в качестве прототипа [2] (фиг. 1), содержащее схему стробирования (1), запоминающее устройство (2), подоптимальные фильтры (3₀÷3_N-1), где N - количество доплеровских каналов, блок доплеровского накопления (4) и формирователь эталонного сигнала (5) с соответствующими связями.

При сжатии ФМ сигнала подавление боковых лепестков обеспечивается при соответствии спектра обрабатываемого сигнала коэффициенту передачи подоптимального фильтра устройства обработки фазоманипулированных радиолокационных сигналов в спектральной области. Однако в реальной аппаратуре коэффициент передачи приемо-передающего тракта РЛС вносит искажения в спектр сигнала, что может привести к ухудшению характеристик его сжатия.

С целью компенсации искажений ФМ сигнала импульсная характеристика (ИХ) подоптимального фильтра устройства обработки фазоманипулированных радиолокационных сигналов формируется с использованием оценки параметров зондирующего сигнала, прошедшего через приемопередающий тракт РЛС (эталонного сигнала), что позволяет автоматически подстраивать подоптимальный фильтр под искажения эхо-сигнала. При этом коэффициент передачи подоптимального фильтра в спектральной области соответствует спектру эхо-сигнала, т.к. эталонный и эхо-сигналы проходят через один и тот же приемо-передающий тракт.

Импульсная характеристика подоптимального фильтра при отсутствии доплеровского сдвига частоты имеет вид

где λ(n) - ИХ подоптимального фильтра при отсутствии доплеровского сдвига частоты; - элементарный (немодулированный) импульс; n - номер дискреты (отсчета); n_s - количество дискрет в одном элементе ФМ сигнала; δ(n) - дельта-функция; F и F^-1 - операторы соответственно прямого и обратного дискретных преобразований Фурье; - ИХ кодирующего фильтра; a_i=±1; n_B - количество элементов ФМ сигнала.

Доплеровский набег фазы принятого сигнала за время T_p, равное длительности одного элемента ФМ сигнала, определяется выражением

Δϕ_D=ƒ_DT_p=2v_RT_p/λ_C,

где Δϕ_D - доплеровский набег фазы принятого сигнала; T_p - длительность одного элемента ФМ сигнала; ƒ_D - доплеровский сдвиг частоты; λ_C - длина волны излучаемого сигнала; v_R - радиальная скорость движения цели.

Импульсная характеристика подоптимального фильтра с учетом доплеровского сдвига частоты имеет вид

где λ_D(n) - ИХ подоптимального фильтра с учетом доплеровского сдвига частоты; T - период дискретизации сигнала; j - мнимая единица; * - символ свертки.

Устройство - прототип работает следующим образом: на вход 1 схемы стробирования (1) с цифрового фазового детектора приемного тракта РЛС поступает входной сигнал: в моменты времени, соответствующие излучению зондирующих импульсов, поступают отсчеты эталонного сигнала, в остальные моменты времени - отсчеты эхо-сигнала. На вход 2 схемы стробирования (1) с синхронизатора в моменты времени, соответствующие излучению зондирующих импульсов, поступает сигнал Строб. При этом с выхода 4 схемы стробирования (1) эталонный сигнал поступает на вход 1 запоминающего устройства (2) и записывается в запоминающее устройство (2) по синхросигналу, поступающему на вход 2 запоминающего устройства (2).

В остальные моменты времени с выхода 3 схемы стробирования (1) эхо-сигнал поступает на блок доплеровского накопления (4). С выходов 2÷(N+1) блока доплеровского накопления (4) на входы 1 подоптимальных фильтров 3₀÷3_N-1, образующих N доплеровских каналов, поступает эхо-сигнал 1.

Каждый доплеровский канал настроен на эхо-сигналы с доплеровским сдвигом частоты, равным где ƒ_Di - доплеровский сдвиг частоты, соответствующий i-ому доплеровскому каналу; ƒ_Dmax - доплеровский сдвиг частоты, соответствующий (N-1)-ому доплеровскому каналу; i=0÷(N-1) - номер доплеровского канала.

Эталонный сигнал, записанный в запоминающее устройство (2), поступает в виде запомненного эталонного сигнала на выход 3 запоминающего устройства (2). Запомненный эталонный сигнал без доплеровского сдвига частоты κ(n) поступает с выхода 3 запоминающего устройства (2) на вход 1 формирователя эталонного сигнала (5).

С выходов 2÷(N+1) формирователя эталонного сигнала (5) на входы 2 подоптимальных фильтров 3₀÷3_N-1, образующих N доплеровских каналов, поступает эталонный сигнал 1

κ_i^D(n)=κ(n)ехр(2πjƒ_DinT),

где i=0÷(N-1), κ_i^D(n) - эталонный сигнал 1 в i-ом доплеровском канале;

κ(n) - эталонный сигнал без доплеровского сдвига частоты.

В каждом подоптимальном фильтре 3₀, 3₁, …, 3_N-1 выполняется сжатие эхо-сигнала 1 из i-го доплеровского канала с эталонным сигналом 1, соответствующим доплеровскому сдвигу частоты ƒ_Di.

Использование N подоптимальных фильтров позволяет выполнять сжатие ФМ сигнала с учетом доплеровского сдвига частоты, что обеспечивает сохранение характеристик эффективности сжатия сигналов, отраженных от движущихся ЛА.

Импульсная характеристика подоптимальных фильтров 3₀, 3₁, …, 3_N-1 с учетом доплеровского сдвига частоты имеет вид

где i=0÷(N-1), λ_Di(n) - ИХ подоптимальных фильтров 3₀, 3₁, …, 3_N-1.

Выходы подоптимальных фильтров 3₀÷3_N-1 являются выходами устройства обработки фазоманипулированных радиолокационных сигналов.

На фиг. 2 показано распределение по доплеровским каналам эхо-сигнала с доплеровским сдвигом частоты ƒ_Di (i=63, N=128), соответствующим 63-ему доплеровскому каналу.

В блоке доплеровского накопления (4) по каждому из элементов дальности осуществляется N - точечное дискретное преобразование Фурье (ДПФ). В результате этой процедуры, для каждого из элементов разрешения по дальности формируется массив, содержащий N спектральных линий доплеровской частоты. Из-за конечного количества точек ДПФ, в результате выполнения операции дискретного преобразования Фурье будут иметь место краевые эффекты. В результате эхо-сигнал 1 на выходах 2÷(N+1) блока доплеровского накопления (4) искажается, что приводит к снижению разрешающей способности по скорости. При этом сильный эхо-сигнал одного ЛА может искажать или полностью маскировать слабый эхо-сигнал другого ЛА (при попадании эхо-сигналов на один и тот же элемент разрешения по дальности).

На фиг. 3 показано искажение эхо-сигнала 1 с доплеровским сдвигом частоты соответствующим среднему положению между 63-им и 64-ым доплеровскими каналами.

На фиг. 4 приведено искажение эхо-сигнала 1 в логарифмическом масштабе. Как следует из фиг. 4, относительный уровень эхо-сигнала при отстройке на 2 доплеровских канала (по сравнению с его пиковым уровнем на 63 доплеровском канале) составил около минус 14 дБ, при отстройке на 63 доплеровских канала - минус 38 дБ. Следовательно, данное устройство обработки фазоманипулированных радиолокационных сигналов не обеспечивает сохранение характеристик эффективности сжатия в части разрешающей способности по скорости.

Задачей создания изобретения является увеличение разрешающей способности по скорости ЛА.

Указанная задача достигается тем, что в устройство доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов, содержащее схему стробирования (1), запоминающее устройство (2), блок доплеровского накопления (4), подоптимальные фильтры (3₀÷3_N-1), где N - количество доплеровских каналов, формирователь эталонного сигнала (5) с соответствующими связями, дополнительно введены блок весовой обработки эхо-сигналов (6) и блок весовой обработки эталонного сигнала (7), которые обеспечивают значительное снижение уровня указанных сигналов в соседних доплеровских каналах, причем третий выход схемы стробирования (1) соединен со входом блока весовой обработки эхо-сигналов (6), выход которого соединен с блоком доплеровского накопления (4), третий выход запоминающего устройства (2) соединен со входом блока весовой обработки эталонного сигнала (7), выход которого соединен с формирователем эталонного сигнала (5).

На фиг. 5 приведена функциональная схема предлагаемого устройства доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов.

Предлагаемое устройство работает следующим образом: на вход 1 схемы стробирования (1) с цифрового фазового детектора приемного тракта РЛС поступает входной сигнал: в моменты времени, соответствующие излучению зондирующих импульсов, поступают отсчеты эталонного сигнала, в остальные моменты времени - отсчеты эхо-сигнала. На вход 2 схемы стробирования (1) с синхронизатора в моменты времени, соответствующие излучению зондирующих импульсов, поступает сигнал Строб. При этом с выхода 4 схемы стробирования (1) эталонный сигнал поступает на вход 1 запоминающего устройства (2) и записывается в запоминающее устройство (2) по синхросигналу, поступающему на вход 2 запоминающего устройства (2).

В остальные моменты времени с выхода 3 схемы стробирования (1) эхо-сигнал поступает на блок весовой обработки эхо-сигналов (6). С выхода блока весовой обработки (6) эхо-сигнал поступает на вход блока доплеровского накопления (4). С выходов 2÷(N+1) блока доплеровского накопления (4) на входы 1 подоптимальных фильтров 3₀÷3_N-1, образующих N доплеровских каналов, поступает эхо-сигнал 1.

Эталонный сигнал, записанный в запоминающее устройство (2), поступает в виде запомненного эталонного сигнала на выход 3 запоминающего устройства (2). Запомненный эталонный сигнал без доплеровского сдвига частоты κ(n) поступает с выхода 3 запоминающего устройства (2) на вход блока весовой обработки эталонного сигнала (7), с выхода которого эталонный сигнал поступает на вход 1 формирователя эталонного сигнала (5).

С выходов 2÷(N+1) формирователя эталонного сигнала (5) на входы 2 подоптимальных фильтров 3₀÷3_N-1, образующих N доплеровских каналов, поступает эталонный сигнал 1.

Выходы подоптимальных фильтров 3₀÷3_N-1 являются выходами устройства доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов.

На фиг. 6 в логарифмическом масштабе показано распределение по доплеровским каналам выходного сигнала устройства доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов (при использовании весового окна Кайзера [3] с параметром β=4; доплеровский сдвиг частоты сигнала При этом относительный уровень выходного сигнала при отстройке на 2 доплеровских канала (по сравнению с его пиковым уровнем на 63 доплеровском канале) составил не более минус 39 дБ, а при отстройке на 63 доплеровских канала - минус 57 дБ; энергетические потери от оконного взвешивания - не более 1 дБ.

Из сравнения фиг. 4 и фиг. 6 следует, что предлагаемое устройство доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов обеспечивает увеличение разрешающей способности по скорости, выражающееся в значительном снижении уровня выходного сигнала в соседних доплеровских каналах относительно предложенного в [2] технического решения (приблизительно на 25 дБ и 19 дБ при отстройке соответственно на 2 и 63 доплеровских канала).

Эффективность устройства доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов подтверждена при его использовании в аппаратуре первичной обработки информации, разработанной на предприятии.

Использование устройства доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов в аппаратуре первичной обработки информации позволило значительно повысить разрешающую способность по скорости и снизить уровень выходного сигнала в соседних доплеровских каналах (приблизительно на 25 дБ и 19 дБ при отстройке соответственно на 2 и 63 доплеровских канала).

ЛИТЕРАТУРА

1 Теоретические основы радиолокации. М.: Советское радио, 1970 / Под ред. Ширмана Я.Д. - с. 137-139.

2 Патент 2628405 (РФ). Устройство обработки фазоманипулированных радиолокационных сигналов. Опубл. в бюллетене, 2017. №23.

3 Kaiser, J.F., "Nonrecursive Digital Filter Design Using the I0 - sinh Window Function, "Proc. 1974 IEEE Symp. Circuits and Systems, (April 1974), pp. 20-23.

Устройство доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов относится к радиолокации и может быть использовано для разработки и совершенствования устройств обработки фазоманипулированных радиолокационных сигналов. Достигаемый технический результат - повышение разрешающей способности по скорости при обнаружении летательных аппаратов. Указанный результат достигается введением блока весовой обработки эхо-сигналов и блока весовой обработки эталонного сигнала. 6 ил.

Устройство доплеровской обработки и сжатия фазоманипулированных радиолокационных сигналов, содержащее схему стробирования, запоминающее устройство, N подоптимальных фильтров, где N - количество доплеровских каналов, блок доплеровского накопления, формирователь эталонного сигнала, причем на первый вход схемы стробирования с цифрового фазового детектора поступает входной сигнал, на второй вход схемы стробирования с синхронизатора поступает сигнал Строб, четвертый выход схемы стробирования соединен с первым входом запоминающего устройства, на второй вход которого поступает синхросигнал, выходы 2÷(N+1) блока доплеровского накопления соединены с первыми входами подоптимальных фильтров, выходы формирователя эталонного сигнала 2÷(N+1) соединены со вторыми входами N подоптимальных фильтров, причем выходы подоптимальных фильтров являются выходами устройства, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок весовой обработки эхо-сигналов, вход которого соединен с третьим выходом схемы стробирования, а выход - со входом блока доплеровского накопления, и блок весовой обработки эталонного сигнала, вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, а выход - со входом формирователя эталонного сигнала.