СПОСОБ КОГЕРЕНТНОГО НАКОПЛЕНИЯ СИГНАЛОВ ИМПУЛЬСНОГО РАДИОЛОКАТОРА Советский патент 2007 года по МПК G01S7/292 

Когерентное накопление позволяет полностью использовать энергию отраженных от целей сигналов в импульсном радиолокаторе (РЛС). Поэтому при использовании техники когерентного накопления может быть увеличена дальность обнаружения в существующих станциях, которые не используют когерентное накопление, или уменьшена излучаемая мощность во вновь проектируемых.

В литературе описано несколько способов когерентного накопления импульсных сигналов. Существенным здесь является линейность приемного тракта, включая накапливающие устройства, и согласование спектра сигналов с частотными характеристиками применяемых фильтров.

В настоящем изобретении предлагается иной способ когерентного накопления сигналов РЛС. Особенностью его является то, что в нем изменяется временной масштаб применяемых сигналов и, следовательно, спектр их. Однако при таком преобразовании сохраняются спектральные особенности спектров радиолокационных сигналов, если детектирование до изменения временного масштаба применялось фазовое с когерентным опорным напряжением. Далее преобразованные сигналы подаются на систему резонансных контуров, каждый из которых настроен оптимально для накопления сигналов целей с определенной радиальной скоростью, а все перекрывают весь диапазон возможных радиальных скоростей целей. Индикация сигналов в такой системе возможна в координатах дальность-радиальная скорость или азимут-радиальная скорость.

Ниже приводится более подробное изложение и краткое математическое обоснование предлагаемого способа. При этом для упрощения расчетов приняты следующие предположения, не меняющие, однако, существа дела:

1. Форма отраженных сигналов - прямоугольные импульсы.

2. Огибающая пакета отраженных сигналов - прямоугольная.

3. Сигналы при преобразованиях не изменяют форму.

4. Преобразование масштаба времени производится на линейном участке амплитудной характеристики графекона.

На фиг.1 изображены сигналы на выходе фазового детектора, отраженные от двух целей. Сигналы ближней цели (цель №1) соответствует "нулевой" радиальной скорости; цель №2 имеет радиальную скорость, отличную от нуля. Количество импульсов в обоих случаях определяется освещенностью цели и равно N.

С помощью специальной электронно-лучевой трубки (например, отечественная марка ЛН-3) производится трансформация масштаба времени. Для этого сигналы (фиг.1) предварительно записываются на мишени трубки в координатах азимут-дальность и затем считываются последовательно со всех изодальностных участков мишени (фиг.2). Выбор скорости луча при записи выбирается так, чтобы сохранялась разрешающая способность РЛС по дальности, т.е. сигналы различных целей на мишени не должны перекрываться.

Форма сигналов при считывании с мишени для случая входных сигналов, изображенных на фиг.1, соответствует фиг.3. Длительность сигналов τ определяется размерами пятна и скоростями разверток, а период повторения Тс - плотностью горизонтальных разверток на мишени.

Для выяснения возможностей накопления этих сигналов следует исследовать их спектры с помощью интеграла Фурье. Для цели №1 получается:

здесь U_m1 - амплитуда импульсов;

f(t-kTc) - форма К-го импульса;

в нашем случае

После подстановки в интеграл выражения u₁(t) и несложных вычислений получается:

в этом выражении - спектр одиночного импульса f(t).

Имея выражения S₀(ω) и S₁(ω), можно вычислить модуль функции S₁(ω)

Можно выбрать скорости записи так, чтобы развертки по горизонтали размещались с максимальной плотностью, т.е. без промежутков. При этом τ и Tc практически равны, и выражение |S₁(ω)| будет:

Зависимость |S₁(ω)| от частоты изображена на фиг.4. Несложные исследования показывают, что |S₀(ω)|=U_m1τN, а ширина спектра до первого нулевого значения , т.е. тоже определяется всей последовательностью импульсов.

Для цели №2 получается:

здесь U_m2; f(t); Tc - величины, аналогичные для случая цели №1;

ω_D - частота Допплера;

Т_п - период следования зондирующих импульсов РЛС;

ϕ₀ - начальная фаза, определяющая форму огибающей импульсов.

Выражение для u₂(t) показывает, что при считывании происходит изменение частоты огибающей импульсов, т.е. частоты Допплера в фаз, вследствие того, что изменяется период следования импульсов при считывании, а амплитуды их сохраняют прежние значения. Спектр сигнала цели №2 будет:

здесь

Используя известное соотношение можно упростить выражение для S₂(ω)

Из полученного выражение следует, что спектр сигнала цели №2 состоит из аналогичных составляющих, смещенных вдоль оси частот на +ω_D' и -ω_D'. Выражение для модуля отдельных составляющих будет

На фиг.5 изображены кривые |S₂'(ω)|. Несложный анализ показывает, что ширина спектра по первым нулевым значениям около ω=ω_D' составляет , а максимум расположен на ω≈ω_D' и равен

Расчеты показывают, что и в этом случае максимальное значение спектра и ширина его определяются всей последовательностью импульсов. Как и в случае цели №1, здесь τ=Tc.

Сравнение спектров сигналов цели №1 и 2 показывает, что спектры их имеют существенные отличия, которые позволяют произвести частотную селекцию этих сигналов. Для этого достаточно включить фильтры в диапазоне частот от 0 до Поскольку полоса пропускания одиночного фильтра то для перекрытия всего диапазона частот Допплера достаточно применить фильтров.

Фильтры, применяемые для частотной селекции, должны быть линейными, и тогда напряжение на выходе их будет определяться спектром S_вых(ω) и

здесь - частотная характеристика отдельного фильтра;

- спектр сигнала цели.

Таким образом, напряжение на выходе фильтра определяется , который, как было показано выше, определяется всей последовательностью отраженных импульсов.

Форма частотной характеристики , как известно, должна быть комплексно сопряжена с , если требуется получить максимальное отношение на выходе фильтра.

Таким образом, сочетание фазового детектора, системы трансформации масштаба времени и системы линейных резонансных контуров представляет в целом линейную систему, в которой возможно когерентное накопление сигналов.

Преимущества данной системы заключаются в возможности накопления значительного количества сигналов, определяемого лишь разрешающей способностью потенциалоскопа (для ЛН-3 порядка 200 элементов в строке) и резонансными контурами, в сравнительно простых и малогабаритных фильтрах, в качестве которых могут быть использованы резонансные контуры в диапазоне до 1÷2 МГц (при Тс=1 мкс), в быстроте процесса накопления, который практически определяется только длительностью процесса записи, в сравнительной простоте индикации сигналов вследствие того, что сигналы после накопления сохраняют импульсный характер.

Следует отметить, что в предлагаемой системе возможно применение системы череспериодной компенсации. При этом нет необходимости в применении сложных линий задержки на большой интервал времени Тп. Очевидно, что достаточна задержка сигналов считывания на Тс≈τ, т.е. всего на несколько мкс. Система череспериодной компенсации включается перед резонансными системами, которые могут не содержать фильтра нижних частот (от 0 до ).

Следует иметь в виду, что предлагаемая система имеет и недостатки, которые присущи вообще когерентно-импульсным системам. К ним следует отнести, например, неоднозначность по частоте Допплера, необходимость большой освещенности цели и др.

Описание блок-схемы устройства когерентного интегрирования сигналов импульсного радиолокатора

Возможность осуществления когерентного накопления по предлагаемому способу иллюстрируется блок-схемой всего устройства (фиг.6).

Прежде всего следует отметить наличие двух одинаковых каналов (А и В), которые, имея фазовые детекторы с ортогональными опорными напряжениями, позволяют исключить влияние неизвестной начальной фазы принимаемого сигнала. Непосредственно перед индикацией сигналы каналов А и В возводятся в квадрат и суммируются, что позволяет получить амплитудное значение сигнала.

Устройство развертывания лучей электронно-лучевых трубок (графекон типа ЛН-3) осуществляет развертку луча на мишени синхронно для обоих каналов. Развертка записи представляет собой развертку телевизионного типа, вдоль горизонтального направления скорость высокая и записываются сигналы по дальности, в вертикальном направлении - развертка по азимуту медленная. Считывание производится другим лучем графекона. При этом луч двигается быстро в вертикальном направлении, вдоль изодальностных участков мишени, и медленно по горизонтали.

Делители частот следования импульсов применяются для того, чтобы осуществить кадр, у которого число строк (N) соответствует количеству принимаемых от цели импульсов. Количество элементов в строке (q) равно количеству разрешаемых участков дальности и в то же время равно количеству разверток по вертикали при считывании.

Периоды записи N периодов повторения и считывания их строго одинаковы и синхронны. Однако для сокращения объема аппаратуры запись и считывание производится по полукадрам, содержащим строк. В то время, когда производится запись первых строк, считывающим лучем производится считывание со следующих строк. После перехода записывающего луча к вторым строкам, считывание начинается с первых строк и так непрерывно.

В схеме фиг.6 это осуществляется жесткой синхронизацией движения записывающего и считывающего лучей и соответствующей коммутацией считывающего луча во время развертки его по вертикали - зажигание на считывание и гашение при прохождении участка мишени, где производится запись сигналов.

Съем сигналов считывания производится в цепи сигнальной пластины, для отделения этих сигналов от сигналов записи используется хорошо известный способ частотной селекции. Это возможно при модуляции считывающего луча по интенсивности с некоторой высокой частотой f₀. После усиления и детектирования сигналы в каждом канале поступают на системы узкополосных резонансных контуров, где и происходит частотная селекция. Следует иметь в виду, что усилитель для первоначального усиления должен иметь широкую полосу пропускания, рассчитанную для усиления одиночных сигналов считывания.

Селектирующие резонансные частоты должны иметь полосы пропускания , а количество их (N - освещенности цели).

Остальная аппаратура обеспечивает индикацию сигналов в координатах радиальная скорость - дальность. Для этого в момент окончания считывания сигналов с первой или второй половины кадра производится отбор сигнала с резонансного контура. Отбор сигнала производится в это время потому, что именно в этот момент времени напряжение достигает максимальной величины.

Вследствие того, что развертка на индикаторе временная, выходные напряжения с контуров подаются на индикатор со сдвигом, который осуществляется в каждом канале с помощью небольших (единицы мкс) линий задержки. Непосредственно перед индикацией производится и восстановление амплитудного значения сигналов, для чего суммируются квадраты напряжений после селекции в резонансных контурах. Эти сигналы в дальнейшем производят модуляцию яркости обычной электронно-лучевой трубки с послесвечением, используемой в индикаторах кругового обзора. Развертка по вертикали этой трубки по длительности соответствует половине развертки считывания в вертикальном направлении и синхронна с ней, а развертка по горизонтали движется синхронно со считывающим лучем в горизонтальном направлении.

Таково краткое изложение работы всего устройства когерентного накопления с применением трансформации масштаба времени и частотной селекции сигналов.

Для более подробного рассмотрения устройства к фиг.6 придаются подробные эпюры напряжений (фиг.7) в отдельных местах схемы. Цифры на фиг.6 обозначают места соответствующих эпюр напряжений.

Что касается реализуемости устройства, то здесь следует отметить, что оно не содержит элементов, которые не могут быть в настоящее время реализованы.

В подтверждении этого можно сослаться на опубликованные работы [1, 2], где частично испытывались некоторые элементы предлагаемого устройства.

Источники информации

1. Кельзон B.C., Авраменко Р.Ф. Применение электронно-лучевых трубок с накоплением зарядов типа графекона для обнаружения импульсных сигналов на фоне шумов. Радиоэлектроника 14(83), 1958 г.

2. Мельник Ю.A., Трубицин Е.Г. Система автоматического интегрирования радиолокационных сигналов с использованием потенциалоскопа и фильтра. Радиоэлектроника 1, 1959 г.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в упрощении аппаратуры накопления. Для этого в способе производят расширение спектра допплеровских частот эхо-сигналов путем трансформации спектра сигнала с выхода когерентного детектора, после чего трансформированный сигнал накапливают системой широкополосных фильтров, каждый из которых настраивают на одну из трансформированных допплеровских частот. 7 ил.

Способ когерентного накопления сигналов в импульсном радиолокаторе, основанный на трансформации спектра допплеровских частот, отличающийся тем, что, с целью упрощения аппаратуры накопления, производят расширение спектра допплеровских частот эхо-сигналов путем трансформации спектра сигнала с выхода когерентного детектора, после чего трансформированный сигнал накапливают системой широкополосных фильтров, каждый из которых настраивают на одну из трансформированных допплеровских частот.