Способ формирования и обработки импульсных радиолокационных сигналов с линейной частотной модуляцией Российский патент 2023 года по МПК G01S13/28 G01S13/42 G01S13/26 G01S7/36 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при формировании и обработке радиолокационных сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) в радиолокационных станциях (РЛС).

Известен «Способ измерения дальности и радиальной скорости в РЛС с зондирующим составным псевдослучайным ЛЧМ импульсом» [RU 2553272 опубликовано 10.06.2015, МПК G01S 13/42], заключающийся в излучении в цикле излучения одного ЛЧМ импульса длительностью Т_ЗИ с девиацией частоты F_дев и обработке отраженных от целей импульсов в цикле приема согласованным фильтром сжатия. Излучаемый импульс формируется в виде исходной цифровой последовательности комплексных отсчетов, дискретизированных с частотой F_ф>F_дев, и состоящей из отсчетов М элементарных ЛЧМ импульсов (ЭИ), следующих слитно друг за другом и имеющих одинаковую длительность Т_ЭИ=Т_ЗИ/М и одинаковую девиацию частоты F_девmin≤F_девЭИ≤F_дев, но разные псевдослучайные значения начальной частоты f_λπι, где λ - номер частоты из алфавита частот, λ=1÷М; m - порядковый номер ЭИ в последовательности ЭИ, m=1÷М. Внутри каждого ЭИ отсчеты сигнала вычисляются по закону частотной модуляции в пределах изменения частоты от f_λm до частоты f_λm+f_девЭИ. Эти отсчеты затем преобразуются в напряжение, которое пропускается через фильтр нижних частот, ограничивающий полосу частот модуляции полосой ΔFм≥Fдев, с выхода фильтра сигнал переносится на несущую частоту f0, усиливается по мощности и передается в антенну на излучение, принимаемые антенной отраженные импульсы усиливаются, фильтруются на несущей частоте f0 полосовым фильтром с полосой пропускания ΔFм, дискретизируются по времени с частотой F_д≥2ΔF_м с обеспечением выполнения условия f₀=nF_д+ΔF_м/2, n=1, 2, 3, … и квантуются по уровню, затем действительные цифровые отсчеты сигнала путем цифрового квадратурного гетеродинирования переносятся на нулевую частоту. Комплексные результаты гетеродинирования обрабатываются цифровым комплексным фильтром нижних частот с полосой пропускания ΔF_м, на выходе фильтра формируются отсчеты с частотой следования Fc≥ΔF_м, которые затем обрабатываются фильтрами сжатия, импульсные характеристики которых по длительности и по функции частотной модуляции согласованы с отраженным импульсом и настроены на заданные значения доплеровских частот. При этом задержка максимальной амплитуды сигнала на выходах фильтров соответствует расстоянию до обнаруженной цели без доплеровской ошибки, а частота сигнала, измеренная дискриминаторным методом по двум или трем максимальным амплитудам в смежных фильтрах, имеет одинаковую методическую точность во всем диапазоне дальности и соответствует доплеровскому смещению частоты цели, однозначно связанному с ее радиальной скоростью.

Недостатками указанного способа являются низкий уровень подавления боковых лепестков сжатого ЛЧМ импульсного сигнала, а так же то, что данный способ не обеспечивает подавление сигналов принятых с кратных дальностей (через период неоднозначности), что снижает вероятность обнаружения отраженных сигналов. Кроме того, данный способ сложен в реализации из-за формирования сложного сигнала в пределах одного импульса.

Известен «Способ уменьшения уровня боковых лепестков сжатого ЛЧМ-сигнала» [RU 2447455 опубликовано 10.04.2012, МПК G01S 13/02], основанный на амплитудно-частотной коррекции амплитудного спектра сигнала и его сжатии в устройстве сжатия. Амплитудно-частотную коррекцию амплитудного спектра принимаемого ЛЧМ-сигнала осуществляют по закону, являющемуся отношением модуля комплексного спектра основного лепестка автокорреляционной функции исходного ЛЧМ-сигнала к модулю комплексного спектра исходного ЛЧМ-сигнала. После коррекции амплитудного спектра, перед сжатием осуществляют фазочастотную коррекцию фазового спектра в соответствии с законом, являющимся результатом деления аргумента отношения комплексного спектра основного лепестка автокорреляционной функции исходного ЛЧМ-сигнала к комплексному спектру исходного ЛЧМ-сигнала на фазочастотную характеристику устройства сжатия.

Недостатками указанного способа является низкий уровень подавления боковых лепестков сжатого ЛЧМ импульсного сигнала, а так же то, что данный способ не обеспечивает подавление сигналов принятых с кратных дальностей (через период неоднозначности), что снижает вероятность обнаружения отраженных сигналов.

Наиболее близким по технической сущности является «Способ подавления боковых лепестков ЛЧМ-сигнала с межпериодным расширением спектра» [RU 2624769 опубликовано 06.07.2017, МПК G01S7/36], в котором формируют сигнал в виде последовательности из М ЛЧМ-импульсов, где М - целое число, большее либо равное единице. Далее излучают сигнал, принимают отраженный сигнал, осуществляют сжатие принятого сигнала путем свертки с опорным сигналом. При этом несущая частота ЛЧМ-импульсов изменяется от импульса к импульсу с перекрытием спектров отдельных ЛЧМ-импульсов, а перед сжатием принятого сигнала формируют опорный сигнал посредством весового взвешивания каждого из М ЛЧМ-импульсов последовательности первой оконной функцией с плоской центральной частью и плавными фронтами на краях. Относительная ширина фронтов выбирается равной относительному перекрытию спектров соседних ЛЧМ-импульсов последовательности по частоте, и последующей обработки последовательности из М ЛЧМ-импульсов второй оконной функцией высокого разрешения, разделенной на М равных по длительности частей, с относительным перекрытием, равным относительному перекрытию ЛЧМ-импульсов по частоте, причем длительность каждой из М частей второй оконной функции соответствует длительности каждого из М ЛЧМ-импульсов, путем весового взвешивания каждого из М ЛЧМ-импульсов соответствующей из М частью второй оконной функции.

Недостатками указанного способа являются низкий и неравномерный уровень подавления боковых лепестков сжатого ЛЧМ импульсного сигнала, при необходимости обеспечения работы радиолокационной станции в режиме межпериодного расширения спектра при малом периоде повторения и соответственно малых дальностях обнаружения, а так же при осуществлении данного способа не обеспечивается подавление сигналов принятых с кратных дальностей (через период неоднозначности). В совокупности эти недостатки приводят к снижению вероятности обнаружения отраженных сигналов.

Технической проблемой решаемой предлагаемым изобретением является повышение вероятности обнаружения отраженных ЛЧМ импульсных сигналов.

Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение уровня побочных составляющих сжатого ЛЧМ импульсного сигнала путем уменьшения уровня его боковых лепестков и подавления сигналов, принятых с кратных дальностей.

Сущность изобретения заключается в том, что формируют последовательность из М ЛЧМ импульсных сигналов, где М целое число, затем излучают сформированную последовательность ЛЧМ импульсных сигналов, принимают отраженную последовательность ЛЧМ импульсных сигналов и осуществляют сжатие сигналов.

Новым в заявляемом способе является то, что изменяя значение средней частоты каждого из М ЛЧМ импульсного сигнала по случайному закону, формируют последовательность из М когерентных ЛЧМ импульсных сигналов с одинаковой девиацией частоты, а излучение сформированной последовательности ЛЧМ импульсных сигналов осуществляют когерентно. После приема ЛЧМ импульсных сигналов, осуществляют их аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации F_Д≥2Δƒ, где Δƒ - девиация частоты ЛЧМ импульсного сигнала. Затем когерентно накапливают принятую отраженную последовательность ЛЧМ импульсных сигналов, а после сжатия накопленных сигналов, осуществляют согласованную обработку накопленных ЛЧМ импульсных сигналов. Значение средней частоты каждого ЛЧМ импульсного сигнала изменяют по случайному закону с равномерным распределением. Последовательность ЛЧМ импульсных сигналов формируют путем цифрового синтеза сигнала. Согласованная обработка накопленных ЛЧМ импульсных сигналов осуществляется путем гармонического анализа.

На Фиг. 1 представлена функциональная схема варианта радиолокационной станции, осуществляющей способ.

На Фиг. 2 представлены графики изменения частоты ЛЧМ импульсных сигналов.

На Фиг. 3 представлены графики сжатых ЛЧМ импульсных сигналов при разном количестве значений средней частоты импульсных сигналов.

На Фиг. 4 представлены графики сжатых ЛЧМ импульсных сигналов в увеличенном масштабе.

Способ формирования и обработки импульсных радиолокационных сигналов с линейной частотной модуляцией может быть реализован, например, в радиолокационной станции, состоящей из управляющей ЭВМ (1), цифрового вычислительного синтезатора (ЦВС) (2), запоминающего устройства (ЗУ) (3), передатчика (4), антенны (5), приемника (6), АЦП (7), сигнального процессора (8). Первый вход-выход управляющей ЭВМ (1) является внешним входом-выходом радиолокационной станции. Первый выход управляющей ЭВМ (1) соединен с первым входом ЦВС (1), второй выход управляющей ЭВМ (1) соединен со вторым входом ЦВС (2), а к ее второму входу-выходу подключен вход-выход ЗУ (3). Первый выход ЦВС (1) подключен к входу передатчика (4), выход которого подключен к входу антенны (5). Выход антенны (5) подключен к входу приемника (6). Выход приемника (6) подключен к входу АЦП (7), выход которого подключен к первому входу сигнального процессора (8). Второй вход сигнального процессора (8) подключен ко второму выходу ЦВС (2). Выход сигнального процессора (8) является внешним выходом радиолокационной станции.

Способ формирования и обработки импульсного радиолокационного сигнала с линейной частотной модуляцией осуществляется следующим образом.

В процессе работы радиолокационной станции управляющая ЭВМ (1) со своего первого выхода выдает команду цифровому вычислительному синтезатору (2), по которой он начинает формировать последовательность из М ЛЧМ импульсных сигналов, где М целое число. Количество импульсных сигналов подбирается заранее экспериментально или путем математического моделирования для различных режимов работы радиолокационной станции. Для дальнейшего описания возьмем М=4096. Так же управляющая ЭВМ (1) со своего второго выхода, задает цифровому вычислительному синтезатору (2) значение девиации частоты Δƒ ЛЧМ импульсных сигналов и набор из М значений средней частоты ƒ_CP ЛЧМ импульсных сигналов, считывая их из запоминающего устройства (ЗУ) (3). Набор из М значений средней частоты ƒ_CP ЛЧМ импульсных сигналов формируют заранее по заданному случайному закону, например закону с равномерным распределением, и записывают через управляющую ЭВМ (1) в ЗУ (3), которое может быть отдельным функциональным блоком, как в схеме, представленной на Фиг. 1, или входить в состав управляющей ЭВМ (1). Значение средней частоты ƒ_CP выбирают в диапазоне [ƒ₀-δƒ, ƒ₀+δƒ], где , ƒ₀ - среднее значение диапазона частот, соответствующее средней частоте полосы приемо-передающего тракта РЛС, Δƒ_C - ширина спектра ЛЧМ импульсного сигнала. Также управляющая ЭВМ (1) задает ЦВС (2) другие параметры сигналов - длительность импульсного сигнала Т_И, период повторения импульсного сигнала Т_П. Графики изменения частоты ЛЧМ импульсных сигналов для первых трех сигналов последовательности представлены на Фигуре 2.

ЦВС (2) формирует последовательность когерентных ЛЧМ импульсных сигналов с периодом повторения Т_П путем прямого цифрового синтеза сигнала и со своего выхода передает их на вход передатчика (4). В передатчике (4) осуществляют усиление и повышение частоты ЛЧМ импульсных сигналов, а затем осуществляют когерентное излучение ЛЧМ импульсных сигналов антенной (5). В излучаемой последовательности ЛЧМ импульсных сигналов девиация частоты Δƒ и ширина спектра отдельного ЛЧМ импульсного сигнала Δƒ_C неизменны, а от периода к периоду повторения Т_П случайным образом изменяется среднее значение частоты ƒ_CP импульсного сигнала.

Отраженные сигналы последовательно когерентно принимают приемником (6). При приеме отраженного сигнала происходит прием не только сигнала, соответствующего излученному, но и сигналов отраженных с кратных дальностей, соответствующих предыдущим излученным импульсным сигналам, и являющихся помеховыми по отношению к сигналу, принятому с основной дальности. При приеме таких сигналов центральным лепестком диаграммы направленности антенны их амплитуда сопоставима с амплитудой полезного сигнала, даже при модуляции диаграммой направленности антенны. В прототипе эти побочные составляющие снижают вероятность обнаружения сигналов, отраженных от целей, и приводят к обнаружению ложных сигналов. Далее будет показано подавление этих побочных составляющих в процессе обработки сигнала.

В АЦП (7) осуществляют аналого-цифровое преобразование сигнала с частотой дискретизации F_Д≥2Δƒ со стробированием по элементам дальности. А в сигнальном процессоре (8) когерентно накапливают принятые отраженные ЛЧМ импульсные сигналы в цифровом виде и далее осуществляют их сжатие по дальности. Цифровые сигналы формируют в виде массива комплексных амплитуд , где m - номер импульсного сигнала из М, k - номер элемента дальности.

В сигнальном процессоре (8) осуществляют сжатие каждого из М ЛЧМ импульсных сигналов по дальности и формируют массив сжатого сигнала . Сжатие можно осуществить прямой сверткой принятых импульсных сигналов с опорной функцией для каждого периода повторения Т_П (корреляционной обработкой), описанной в источниках [Многофункциональные радиолокационные системы / под ред. Б.Г. Татарского, М.: «Дрофа», 2007 г., стр. 41-68] или [Радио/технические цепи и сигналы, С.И. Баскаков, М.: «Высшая школа», 2010 г., стр. 423-430].

Опорной функцией является соответствующий принятому сигналу -импульсный сигнал, сформированный ЦВС (2), и поступающий с его второго выхода на второй вход сигнального процессора (8).

Далее осуществляют согласованную обработку М накопленных ЛЧМ импульсных сигналов. Согласованная обработка может быть реализована различными способами: прямой сверткой, быстрой сверткой, гармоническим анализом и другими способами, описанными в литературе, например, в монографии [Многофункциональные радиолокационные системы / под ред. Б.Г. Татарского. М.: ООО «Дрофа», 2007 г., стр. 263-272]. Далее поясним согласованную обработку на примере гармонического анализа.

Согласованная обработка сигнала заключается в следующем. Поскольку ранее было осуществлено аналого-цифровое преобразование сигнала сжатые в процессоре сигналов (8) ЛЧМ импульсные сигналы представлены в виде массивацифровых отсчетов по элементам дальности (столбцов) для каждого периода повторения Т_П (строки). В сигнальном процессоре (8) считывают М отсчетов для каждого элемента дальности по периодам повторения. Отсчеты умножают на опорную функцию, необходимую для компенсации траекторных нестабильностей в случае движения радиолокационной станции, например по соотношениям, приведенным в источнике [Многофункциональные радиолокационные системы / под ред. Б.Г. Татарского. М.: ООО «Дрофа», 2007 г., стр. 269], а затем осуществляют М-точечное преобразование Фурье отсчетов сигнала. При выполнении преобразования Фурье, например Быстрого преобразования Фурье, осуществляется когерентное суммирование М отсчетов сжатых сигналов , при этом ширина главного лепестка сжатого сигнала неизменна для всех импульсов, а его амплитуда при суммировании растет линейно, при этом боковые лепестки формируются за счет суммирования со случайной фазой, что обусловлено случайным изменением средней частоты каждого ЛЧМ импульсного сигнала от периода к периоду повторения Τ_П. При согласованной обработке аналогичным образом происходит суммирование сигналов, принятых с кратных дальностей со случайной фазой, что приводит к их подавлению.

Таким образом, осуществляется уменьшение уровня боковых лепестков сжатого ЛЧМ импульсного сигнала и подавление сигналов, принятых с кратных дальностей до уровня 50 дБ. На Фигуре 3 приведены четыре графика (9), (10), (И), (12) обработанной последовательности ЛЧМ сигналов. На графике (9) представлен обработанный сигнал при формировании без изменения средней частоты ƒ_СР для всех М=4096 сигналов. На графике виден высокий уровень боковых лепестков и сигналы, принятые с кратных дальностей, имеющие одинаковую амплитуду с основным сигналом. На графике (10) представлен сигнал, при формировании которого значения ƒ_CP повторяются через 256 импульсных сигналов, на графике (11) представлен сигнал, при формировании которого значения ƒ_CP повторяются через 1024 импульсных сигналов, и на графике (12) представлен сигнал при формировании которого значения ƒ_СР не повторяются для всех М=4096 импульсных сигналов. На графиках видно, что уровни боковых лепестков сжатого сигнала и сигналов, принятых с кратных дальностей, достигают минимальных значений при изменении значения частоты ƒ_CP случайным образом для каждого ЛЧМ импульсного сигнала.

На Фиг. 4 представлены графики (13), (14) обработанных сигналов в увеличенном масштабе (центральный лепесток и два боковых) для последовательностей сигналов (М=4096) без изменения частоты ƒ_CP (13) и с изменением частоты ƒ_СР по заявляемому способу (14). На графике (14) видно значительное снижение ближних боковых лепестков: первого бокового лепестка с -13 дБ до -27 дБ, а второго бокового лепестка с -20 дБ до -40 дБ по сравнению с графиком (13). Подавление следующих (дальних) боковых лепестков происходит до уровня -50…-60 дБ, что видно на графике (12) Фиг. 3. Таким образом, побочные составляющие сжатого ЛЧМ импульсного сигнала не будут перекрывать сигналы с малой амплитудой и их можно обнаруживать с высокой вероятностью.

Так же при сравнении графиков (13) и (14) видно, что при снижении уровня боковых лепестков не происходит расширения центрального лепестка, а наоборот происходит его обужение.

Таким образом, излучение, прием и совместная согласованная обработка принятых (накопленных) ЛЧМ импульсных сигналов с изменяемой случайным образом средней частотой от периода к периоду повторения позволяет подавить сигналы, принимаемые с кратных (неоднозначных) дальностей, снизить уровень боковых лепестков сжатого ЛЧМ сигнала и обузить главный лепесток сжатого импульсного сигнала, что позволяет обнаруживать отраженные сигналы от целей с высокой вероятностью обнаружения и низким уровнем ложных тревог.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при формировании и обработке радиолокационных сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) в радиолокационных станциях. Технический результат заключается в снижении уровня побочных составляющих сжатого ЛЧМ импульсного сигнала путем уменьшения уровня его боковых лепестков и подавления сигналов, принятых с кратных дальностей. В заявленном способе, изменяя значение средней частоты каждого из М ЛЧМ импульсного сигнала по случайному закону, формируют последовательность из М когерентных ЛЧМ импульсных сигналов с одинаковой девиацией частоты, где М целое число. Затем когерентно излучают сформированную последовательность ЛЧМ импульсных сигналов, принимают отраженную последовательность ЛЧМ импульсных сигналов, осуществляют сжатие сигналов, осуществляют их аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации F_Д≥2Δƒ, где Δƒ - девиация частоты ЛЧМ импульсного сигнала. Затем когерентно накапливают принятую отраженную последовательность ЛЧМ импульсных сигналов, осуществляют сжатие накопленных сигналов и согласованную обработку накопленных ЛЧМ импульсных сигналов. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ формирования и обработки импульсных радиолокационных сигналов с линейной частотной модуляцией, характеризующийся тем, что формируют последовательность из М ЛЧМ импульсных сигналов, где М целое число, излучают сформированную последовательность ЛЧМ импульсных сигналов, принимают отраженную последовательность ЛЧМ импульсных сигналов, осуществляют сжатие сигналов, отличающийся тем, что, изменяя значение средней частоты каждого из М ЛЧМ импульсного сигнала по случайному закону, формируют последовательность из М когерентных ЛЧМ импульсных сигналов с одинаковой девиацией частоты, а излучение сформированной последовательности ЛЧМ импульсных сигналов осуществляют когерентно, после приема ЛЧМ импульсных сигналов осуществляют их аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации F_Д≥2Δƒ, где Δƒ - девиация частоты ЛЧМ импульсного сигнала, когерентно накапливают принятую отраженную последовательность ЛЧМ импульсных сигналов, а после сжатия накопленных сигналов осуществляют согласованную обработку накопленных ЛЧМ импульсных сигналов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значение средней частоты каждого ЛЧМ импульсного сигнала изменяют по случайному закону с равномерным распределением.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что последовательность ЛЧМ импульсных сигналов формируют путем цифрового синтеза сигнала.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что согласованная обработка накопленных ЛЧМ импульсных сигналов осуществляется путем гармонического анализа.