Разрешение по дальности рлс

| | 0 Comment

Agilent. Измерения параметров радиолокационных станций

  • Новости
  • О компании
  • Продукция, цены
  • Статьи, обзоры
  • Схемы, документация
  • Контакты
  • F.A.Q.

Agilent. Измерения параметров радиолокационных станций. Заметки по применению

Радиолокационные системы сегодня весьма распространены и имеют много сфер применения, включая научные, авиационные, автомобильные и военные сферы. Даже полицейский офицер имеет радиолокатор, чтобы догнать нас, если мы нарушили пределы скорости.
При широком диапазоне применений радиолокации возникло множество радиолокационных технологий, чтобы удовлетворить уникальные потребности в характеристиках, стоимости, размерах и возможностях. Например, многие полицейские радиолокаторы используют радиолокатор непрерывных колебаний (НК), чтобы оценить доплеровский сдвиг от движущихся автомобилей, но информация о дальности им не нужна. В данном случае низкая стоимость и небольшие размеры предпочительнее расширенных возможностей и характеристик. С другой стороны, чрезвычайно сложные радиолокационные станции на фазовых решетках могут иметь тысячи приемопередающих модулей, работающих в тандеме, и могут использовать множество сложных методов, чтобы улучшить такие характеристики, как подавление боковых лепестков, дрожание периода повторения импульсов (ППИ), подвижность частоты, оптимизацию формы колебаний в реальном времени, широкополосную линейную ЧМ, возможность опознавания цели.
После краткого обзора основ радиолокации эти заметки по применению будут сосредоточены на основах измерения базовых импульсных радиолокаторов, так как они являются основой большинства радиолокационных систем. В соответствующих местах заметок по применению будет обсуждаться адаптация определенных измерений для более сложных или модулированных импульсных радиолокационных систем.

1.0 Основы радиолокации и уравнение дальности действия радиолокатора

Основы работы радиолокатора
Фундаментальной природой радиолокатора является возможность собирать информацию о местонахождении цели, её скорости, направлении движения, форме, принадлежности или просто наличии, путем обработки отраженных высокочастотных (ВЧ) или микроволновых (СВЧ) сигналов в случае активных радиолокаторов, или из переданных откликов в случае радиолокаторов с активным ответом. В большинстве реализаций импульсный ВЧ или СВЧ сигнал генерируется радиолокационной системой, направляется по лучу на цель под вопросом и принимается той же антенной, которая передала сигнал. Этот базовый процесс описывается уравнением дальности действия радиолокатора, полученным на странице 6. Мощность сигнала на входе приемника радиолокатора прямо пропорциональна переданной мощности, коэффициенту усиления антенны (или размеру апертуры) и поперечному сечению радиолокатора (ПСР). Возможно более важно, что она косвенно пропорциональна четвертой степени расстояния до цели. При таком большом ослаблении, которое происходит, пока сигнал проходит до цели и обратно, применение высокой мощности является желательным, но трудно достижимым из-за ряда практических проблем, таких как нагрев, пробой напряжения, размер системы и, конечно, стоимость.

Характеристики импульса
Характеристики сигнала импульсного радиолокатора в значительной степени определяют рабочие характеристики и возможности радиолокатора. Мощность в импульсе, частота повторения импульсов, длительность импульса и модуляция импульса подбираются таким образом, чтобы получить оптимальную комбинацию для данного применения. Мощность в импульсе непосредственно влияет на максимальное расстояние или дальность цели, которая может быть обнаружена радиолокатором.
Частота повторения импульсов (ЧПИ) определяет максимальную однозначную дальность цели. Следующий (не кодированный) импульс не может быть послан до тех пор, пока предыдущий импульс идет до цели и обратно. (Кодированные импульсы могут посылаться чаще потому что кодирование может быть использовано для связи откликов с соответствующим переданным импульсом).
Длительность импульса определяет пространственное разрешение радиолокатора: импульс должен быть короче времени, которое необходимо для прохождения сигнала между деталями цели, иначе импульсы частично совпадут в приемнике.
Длительность импульса и форма импульса также определяют спектр сигнала радиолокатора. Уменьшение длительности импульса увеличивает полосу частот сигнала. Более широкие полосы частот системы дают в результате более высокий уровень шума для данной величины мощности, что снижает чувствительность. Также ширина спектра может превысить установленные распределения частот, если импульс слишком короткий.
По форме импульс может быть известным трапециидальным импульсом с короткими, но контролируемыми временами фронта и спада, или с любой альтернативной формой, такой, как форма Гаусса и косинус в квадрате. Форма импульса может определять полосу частот сигнала, а также влиять на обнаружение и идентификацию целей и поэтому изменяется в зависимости от сферы применения.
Короткие импульсы с низкой частотой повторения обеспечивают максимальную разрешающую способность и диапазон однозначности, а высокая мощность в импульсе обеспечивают максимальный диапазон радиолокатора по дальности. Однако имеются практические ограничения в генерировании коротких импульсов с большой мощностью. Например, более высокая пиковая мощность будет сокращать жизнь ламп, используемых в конструкции усилителя. Это может стать барьером в улучшении характеристик радиолокатора, если технология радиолокации остановится на таком уровне. Однако при использовании более сложных форм колебаний и методов сжатия импульса сильные ограничения ширины импульса могут быть значительно смягчены.

Сжатие импульса
Методы сжатия импульса позволяют использовать относительно длинные ВЧ-импульсы не жертвуя разрешением по дальности. Ключом к сжатию импульса является энергия. Используя более длинные импульсы, можно уменьшить пиковую мощность у передаваемого импульса при сохранении той же самой энергии. При приеме импульс сжимается в более короткий с помощью согласованного коррелированного фильтра, который увеличивает пиковую мощность импульса и уменьшает его длительность. Радиолокатор со сжатием импульса, таким образом, реализует многие преимущества короткого импульса, как то: улучшенные разрешающая способность и точность, уменьшенный уровень помех на экране радиолокатора, лучшая классификация цели и больший допуск в некоторых методах электронного противодействия (ЭП) и глушения радиопередач. Одной из областей, в которой не реализуются эти преимущества, является величина минимальной дальности действия. Здесь длинный импульс передатчика может скрыть цели, которые находятся близко от радиолокатора.
Способность сжимать импульс с помощью согласованного фильтра достигается модулированием ВЧ-импульса таким способом, чтобы он содействовал процессу сжатия. Функция согласующего фильтра может быть достигнута цифровым способом, при использовании функции взаимной корреляции для сравнения принятого импульса с переданным. Выборки принятого сигнала периодически смещаются во времени, раскладываются в ряд Фурье и умножаются на сопряженное преобразование Фурье выборки переданного сигнала (или точной его копии). Результат функции взаимной корреляции пропорционален смещенному во времени согласованию двух сигналов. Выброс в функции взаимной корреляции или на выходе согласующего фильтра появляется, когда два сигнала стоят рядом. Этот выброс является отраженным сигналом радиолокатора и типично он может быть в 1000 раз короче по длительности во времени, чем переданный импульс. Даже если два или больше длинных переданных импульса совпадут в приемнике, крутой подъем на выходе произойдет когда каждый из импульсов совпадет с переданным импульсом. Это восстанавливает разделение между принятыми импульсами и, вместе с этим, разрешение по дальности. Заметьте, что принятая форма сигнала проходит через окно, используя окно Хамминга или аналогичное ему, для того чтобы уменьшить боковые лепестки во временной области, возникающие во время процесса взаимной корреляции.
Идеально корреляция между принятыми и переданными сигналами будет высокой только тогда, когда переданный и принятый сигналы точно совпадают. Для достижения этой цели используется множество методов модуляции, которые включают: линейное свипирование по частоте, двоичное кодирование фазы (например коды Баркера) или многофазные коды (например коды Костаса). Графики на рисунке 1, названные диаграммами неопределенности, показывают, как работают различные схемы сжатия импульса в виде зависимости допплеровского сдвига частоты от длительности импульса.

Рисунок 1– Диаграмма неопределенности иллюстрирует зависимость точности определения местоположения от точности допплеровской частоты. На рисунке показаны относительные диаграммы неопределенности для различных типов импульса радиолокатора

Хотя допплеровский сдвиг частоты может вызывать ошибки, он также дает оператору радиолокатора важную информацию о цели.

Доплеровская частота
Многие интересующие нас цели находятся в движении. Движение целей заставляет частоту отраженного сигнала смещаться выше, если цель движется к радиолокатору, и ниже, если цель движется в обратном направлении. Это и есть доплеровское смещение частоты, часто ассоциированное с проходящими машинами скорой помощи и поездами. Как многие люди, которые должны принимать быстро движущиеся билеты, могут их проверять, так полицейские радиолокаторы, использующие допплеровский сдвиг частоты, могут определять радиальную скорость автомобилей (целей). Во многих радиолокационных системах как местоположение, так и радиальная скорость, являются полезной информацией. Допплеровский сдвиг частоты может уменьшить чувствительность обнаружения местоположения. Помните, что выход фильтра взаимной корреляции, используемого для обнаружения, пропорционален совпадению принятого и переданного сигналов. Если принятый сигнал несколько ниже или выше по частоте, то выходной сигнал фильтра взаимной корреляции будет немного меньше. Для простого импульса отклик фильтра взаимной корреляции следует как функция допплеровской частоты по знакомой огибающей SIN X/X. В крайних случаях принятый сигнал может быть так смещен по частоте так, что он совпадет с одним из боковых лепестков передаваемого сигнала. Заметьте, что у коротких импульсов относительно широкий начальный лепесток в характеристике sin x/x, а также тенденция иметь допплеровский допуск, сравнимый с допуском при длинных импульсах. В других схемах сжатия импульса, таких как кодирование Баркера, выходной сигнал согласующего фильтра падает много быстрее, чем SIN X/X у простого импульса, что делает их нетерпимыми к допплеровскому эффекту. Допплеровский сдвиг у линейно модулированных по частоте импульсов может создать ошибку в информации о местоположении, потому что наиболее высокая взаимная корреляция происходит, когда частоты свипирования у принятого импульса точно совпадают с частотами свипирования у переданного импульса. Эта отстройка прямо пропорциональна допплеровскому сдвигу.

Уравнение дальности действия радиолокатора
Уравнение дальности действия радиолокатора описывает важные переменные характеристики радиолокатора и создает основу для понимания измерений, которые выполняются, чтобы убедится в оптимальной работе радиолокатора. В этом разделе рассматриваются основы вывода уравнения дальности действия и важные переменные характеристики, названные в уравнении. Остальная часть заметок по применению будет затем обсуждать методы измерений и их модификации, которые имеются для оценки этих переменных характеристик. Вывод формулы начинается с анализа простой сферической модели рассеивания при распространении для ненаправленного излучателя или антенны точечного источника. Предположим для простоты, что антенна равномерно облучает внутреннюю поверхность воображаемой сферы с равномерной плотностью мощности на каждую единицу площади поверхности, где площадь поверхности сферы равна:


где:
As – площадь сферы;

R – радиус сферы.

Рисунок 2 – Излучение идеальной ненаправленной антенны

Плотность мощности находится путем деления общей излучаемой мощности в ваттах на площадь поверхности сферы в квадратных метрах.

где:
p – плотность мощности в ваттах на квадратный метр;
Pt – общая излучаемая мощность в ваттах.

Так как радиолокационные системы используют направленные антенны для фокусирования излучаемой энергии на цель, уравнение может быть преобразовано к численной величине направленного коэффициента усиления антенны G. Усиление антенны определяется как отношение мощности, направленной на цель, к мощности идеальной ненаправленной антенны.

где:
pt – плотность мощности, направленной на цель от направленной антенны;
Gt – усиление направленной антенны.

Уравнение описывает передаваемую плотность мощности, которая приходит к цели. Часть этой энергии будет отражаться по различным направлениям, а часть энергии будет переизлучаться обратно к радиолокационной системе. Величина связанной с этим плотности мощности, которая переизлучается обратно к радиолокатору, является функцией поперечного сечения радиолокатора (ПСР или ) со стороны цели. ПСР ( ) имеет размерность площади и является мерой размеров цели, видимой радиолокатором. С этой информацией уравнение может быть расширено для нахождения плотности мощности, возвращенной к антенне радиолокатора. Это делается путем умножения переданной плотности мощности на отношение ПСР к площади сферы.

www.astena.ru

§ 109. Основные тактико-технические характеристики РЛС

Основными тактическими характеристиками судовой РЛС являются:

максимальная и минимальная дальности обнаружения объектов;

разрешающая способность по дальности;

разрешающая способность по углу;

точность в определении дальности и направлений.

Максимальная дальность обнаружения объектов зависит от импульсной мощности передатчика РИ, коэффициента направленного действия антенны G, длительности излучаемого импульса т, полосы пропускания приемника РЛС Af , эффективной отражающей площади объекта SЭ, высоты антенны РЛС h1 и высоты отражающего объекта кг, а также от чувствительности приемника Pпp.min

Технические характеристики РЛС и величины, от которых зависит максимальная дальность обнаружения, связаны следующей зависимостью:

Формула (127) определяет дальность действия РЛС в свободном пространстве. Однако ультракороткие волны сантиметрового диапазона, применяемые в РЛС, распространяются прямолинейно, поэтому дальность обнаружения ограничивается прямой видимостью.

С учетом атмосферной рефракции при нормальном ее состоянии дальность радиолокационного горизонта Д рассчитывается но формуле

Минимальная дальность обнаружения объектов зависит от длительности излучаемого импульса х и промежутка времени т1 необходимого для перехода станции с режима «Передача» на режим «Прием».

Для уменьшения минимальной дальности обнаружения объектов в судовых РЛС длительность зондирующих импульсов т принимается равной 0,1 — 1,0 мксек. При т = 0,5 мксек и t1 = 0,2т = = 0,1 мксек минимальная дальность обнаружения

Минимальная дальность обнаружения зависит также от высоты антенны и ширины диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Эта зависимость определяется по формуле

где h — высота антенны над уровнем моря;

аb — ширина диаграммы направленности.

Разрешающаяся способность РЛС по дальности — это способность РЛС изображать на экране ИКО объекты, расположенные на различных расстояниях от судна, но находящиеся на одном пеленге. Она характеризуется минимальным расстоянием AD между объектами, при котором они изображаются на экране ЭЛТ раздельно. Чем меньше расстояние AD, тем лучше разрешающая способность РЛС.

Разрешающая способность зависит от длительности зондирующего импульса т, диаметра электронного пятна на экране ЭЛТ, диаметра экрана ЭЛТ и просматриваемого диапазона.

Разрешающая способность РЛС по углу — это способность РЛС изображать на экране ЭЛТ раздельно объекты, расположенные на различных курсовых углах, но находящихся на одинаковом расстоянии от судна. Она характеризуется разрешающим углом Да—минимальным углом между объектами, при котором они раздельно изображаются на экране ЭЛТ. Этот угол зависит от ширины диаграммы направленности в горизонтальной плоскости ar, диаметра электронного пятна, диаметра экрана и расстояния от центра экрана до отметки объекта.

flot.com

Разрешение по дальности рлс

Цель работы: изучение взаимосвязи основных системо-технических параметров и характеристик при проектировании РЛС.

1. Теоретическое введение

Проектирование РЛС базируется на принципах системного подхода, которые состоят в задании критериев эффективности (целевой функции), решении оптимизационных задач и сравнении вариантов реализации систем. Учитывая сложность задачи, многовариантность получаемых решений, добиться качественного результата удается только при многократном просчете вариантов, т.е. процесс проектирования носит итерационный характер и весьма сложен с вычислительной точки зрения. Применение компьютерных систем автоматизированного проектирования позволяет «методом последовательных приближений» спроектировать систему с близкими к оптимальным техническими и эксплуатационными характеристиками, что достигается возможностью многократного пересчета вариантов при варьировании параметров системы. При этом удается, расчленяя общую задачу проектирования, постоянно контролировать взаимосвязь подсистем и изменение системных характеристик.

Первым этапом проектирования является синтез РЛС в общем виде, позволяющий осуществить комплексный учет параметров радиосистемы, подсистем первичной обработки сигналов, а также их совместную оптимизацию.

Ряд параметров, определяющих эффективность функционирования РЛС, может служить критерием оптимизации. Например, максимум вероятности правильного обнаружения D или непосредственно связанный с ней коэффициент улучшения отношения сигнал-(помеха+шум) μ. Технические параметры РЛС можно разделить на внешние, определяемые свойствами среды, и внутренние, определяющие структуру РЛС в общем виде. С учетом того, что вектор внешних параметров h обусловлен свойствами зондируемой среды, на которые процесс РЛС не оказывает воздействия [[i]], оптимизация целевой функции F(h,u,) может производиться только по вектору внутренних параметров u: .

1.1. Выбор зондирующего сигнала РЛС

Потенциальная точность измерения всех координат цели определяется энергией импульса, т.к. зависит от отношения 2Ec/N0, где Ec – энергия сигнала, N0 – энергия белого гауссовского шума. Вместе с тем рост энергии импульса Eи за счет увеличения длительности импульса τ уменьшает ширину спектра, что приводит к ухудшению потенциальной точности измерения дальности. Однако при этом повышается точность и разрешающая способность в измерении скорости цели. Таким образом, увеличение длительности обычного импульса (при постоянной центральной частоте сигнала) позволяет увеличить дальность действия, точность и разрешающую способность по скорости, точность измерения угловых координат, но снижает разрешающую способность и точность измерения по дальности. Это противоречие можно разрешить путем применения сложных сигналов.

Сложными сигналами называются такие сигналы, база которых удовлетворяет условию ΔfcTc>>1, где Δfc – ширина спектра зондирующего сигнала, Tc – длительность сигнала. Для прямоугольного импульса длительностью τ ширина спектра определяется первым нулем и примерно равна Δfc =1/Tc, а величина Δfcτ=1.

Разрешающая способность РЛС по дальности ΔR и по радиальной скорости ΔV определяется выражениями:

где c – скорость света, λ – длина волны, – предельный интервал задержки одного сигнала относительно другого, при котором они различаются, – ширина спектра, определяющая разрешение по частоте Доплера, R(·) – нормированная АКФ.

1.2. Расчет основных параметров приемопередающего тракта РЛС

В традиционных методиках расчет параметров РЛС не учитывает влияния помех, рассмотрение которых переносится на последующие этапы синтеза системы обработки. В этой связи использовано выражение, которое в явном виде учитывает свойства коррелированных (пассивных) и некоррелированных (активных) помех при расчете основных технических параметров РЛС, обеспечивающих решение задачи обнаружения эхо-сигналов [[ii]].

На основании известного выражения для расчета отраженной мощности на входе приемника РЛС можно записать выражения для мощности сигнала Pc и помехи Pп на входе радиосистемы:

где Pp – мощность передатчика РЛС;

G – коэффициент направленного действия антенны;

R – дальность до объекта рассеяния.

Для обнаружения сигнала необходимо обеспечить выполнение следующего условия:

где Pш – мощность некоррелированного шума на входе приемника;

kr – коэффициент потерь приема;

kp – коэффициент потерь обработки;

qс – пороговое отношение сигнал-(помеха+шум);

Величина qс выражается через вероятностные характеристики РЛС:

где F – вероятность ложной тревоги;

D – вероятность правильного обнаружения;

m – коэффициент улучшения отношения сигнал-(помеха+шум);

Пороговое отношение с учетом потерь имеет вид:

Отношение сигнал-(помеха+шум) по мощности на выходе можно представить в виде:

где kс, kп – коэффициенты передачи сигнала и помехи (соответственно) по мощности.

Коэффициент улучшения m представляет собой отношение P0 к входной мощности сигнал-(помеха+шум):

Для оптимальной с учетом коэффициента улучшения m системы, осуществляющей когерентное накопление сигнала и подавление коррелированных помех до уровня шумов, коэффициенты kс и kп могут быть представлены следующими тождествами:

где N – число импульсов в пачке.

С учетом приведенных соотношений выражение для необходимой для обнаружения мощности РЛС принимает вид [Ошибка! Закладка не определена.]:

Пороговое отношение Q определяет необходимое качество обработки сигналов, определяемое коэффициентом улучшения m. Оно является одним из ключевых параметров системы и связано с вероятностными характеристиками обнаружения соотношением:

Приведенные соотношения позволяют отразить зависимость энергетических и вероятностных параметров радиоэлектронной системы, что дает основу для создания программного пакета, адекватно отражающего взаимное влияние различных параметров РЛС.

2. Домашнее задание

1. Изучить теоретическое введение к лабораторной работе.

2. Используя формулу (1), рассчитать и построить зависимость энергетической дальности обнаружения R от мощности передатчика Pp при следующих значениях параметров: Pш=10 -14 Вт, G=10000, λ=3 см, Sс=10 м 2 , kс=4096, Q=-20 дБ, Sп=1000 м 2 , kп = 10.

3. Используя формулу (2), рассчитать и построить вероятностную характеристику D(Q) при μ=100.

3. Порядок выполнения работы

Запустить на выполнение программу Arrow.exe. Открыть подраздел «Конструктор параметров РЛС» в меню «Исследование».

3.1. Исследование влияния параметров зондирующего сигнала на характеристики РЛС

3.1.1. Расчет основных параметров зондирующего сигнала

1) установить переключатель типа сигнала в положение «Сложный», добавить из списка параметров РЛС параметры «Длительность импульса» и «База сложного сигнала»;

2) изменяя значение базы сложного сигнала в диапазоне 1…15, записать значения разрешающей способности по дальности, отметить характер зависимости;

3) вернуть переключатель типа сигнала в положение «Простой», нажать кнопку «Удалить все», добавить из списка параметров РЛС параметр «Разрешение по дальности», изменить его в соответствии с табл. 1, записать рассчитанное значение длительности импульса из правого столбца параметров;

4) установить переключатель типа РЛС в положение «Наземная», а переключатель основного режима работы в положение «Когерентно-импульсный»;

5) добавить из списка параметров РЛС параметр «Однозначно измеряемая дальность», изменить его в соответствии с табл. 1, записать рассчитанные значения частоты повторения и периода следования импульсов, рассчитать скважность и максимальное число каналов по дальности;

6) добавить из списка параметров РЛС параметр «Длина волны» и изменить его в соответствии с табл. 1.

7) рассчитать набор значений однозначно измеряемой скорости, изменяя значение однозначно измеряемой дальности в диапазоне ±30 км относительно заданного в табл. 1 значения, построить график зависимости однозначно измеряемой скорости от однозначно измеряемой дальности;

8) установить переключатель типа РЛС в положение «Бортовая», а переключатель основного режима работы в положение «Импульсно-доплеровский»;

9) добавить из списка параметров РЛС параметры «Однозначно измеряемая скорость», «Скорость носителя РЛС», «Минимальный угол по углу места», «Максимальный угол по углу места», изменить их в соответствии с табл. 1, записать рассчитанные значения частоты повторения, периода следования импульсов;

10) рассчитать набор значений однозначно измеряемой дальности, изменяя значение однозначно измеряемой скорости в диапазоне ±300 м/с относительно заданного в табл. 1 значения, построить график зависимости однозначно измеряемой дальности от однозначно измеряемой скорости.

Таблица 1. Варианты задания временных параметров

www.metods-rgrtu.ru

Способ разрешения целей по дальности радиолокационной станцией и импульсная радиолокационная станция со сжатием импульсов и восстановлением сигналов

Владельцы патента RU 2296345:

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для повышения разрешения целей по дальности в наземных и бортовых радиолокационных станциях (РЛС), в которых излучение производится зондирующими импульсами с внутриимпульсной частотной модуляцией или фазовой манипуляцией. Техническим результатом является увеличение разрешающей способности по дальности радиолокационной станции со сжатием импульсов. Этот результат достигается за счет излучения сложных зондирующих сигналов, приема отраженных сигналов, обработки их в согласованном фильтре, где осуществляется сжатие импульсов во времени, последующего восстановления входных сигналов в восстанавливающем фильтре, что позволяет расширить эффективную полосу сигнала и, как следствие, увеличить разрешающую способность РЛС по дальности. При этом одновременно снижается уровень боковых лепестков сжатого импульса по сравнению с результатами согласованной фильтрации и повышается точность измерения дальности до цели. Использование изобретения позволяет увеличить дальность действия РЛС со сжатием импульсов без снижения разрешающей способности по дальности. Изобретение представлено двумя объектами: способом и устройством. Устройство представляет собой РЛС со сжатием импульсов и восстановлением сигналов, обеспечивающую увеличение разрешающей способности по дальности. 2 н. и 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для разрешения целей по дальности в наземных и бортовых радиолокационных станциях (РЛС), а также может быть использовано в радиотехнических системах связи. Оно представляется двумя объектами: способом и устройством.

Известен способ разрешения целей по дальности радиолокационной станцией (РЛС) — излучение коротких зондирующих импульсов. Укорочение импульса улучшает разрешение по дальности [Применение цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. / Под ред. Э.Оппенгейма, пер. под ред. А.М.Рязанцева. — М.: Мир, 1980, стр.274].

Однако укорочение импульса при ограниченной пиковой мощности передатчика снижает предельную дальность действия РЛС за счет уменьшения средней излучаемой мощности.

Из известных способов разрешения целей по дальности РЛС одним из близких по достигаемому результату является техника сжатия импульсов [Справочник по радиолокации. Под ред. М.Сколника, 1970. Пер. с англ. (в четырех томах) /Под общей ред. К.Н.Трофимова; том 3. Радиолокационные устройства и системы/ Под ред. А.С.Виницкого. — М.: Сов. радио, 1978, стр.400-402].

Сущность этого способа заключается в излучении РЛС сложного зондирующего сигнала с внутриимпульсной частотной модуляцией или фазовой манипуляцией, приеме отраженного сигнала и обработке его в согласованном фильтре, где осуществляется сжатие сигнала на коротком интервале времени. Этим одновременно достигается и большая энергия излучения, свойственная длинному (несжатому) зондирующему сигналу, и высокое разрешение целей по дальности, свойственное короткому сжатому импульсу. Процесс сжатия импульсов известным способом реализуется в согласованном фильтре.

Сложный зондирующий сигнал можно представить в виде импульсной характеристики h(t) «кодирующего» фильтра (временного отклика на единичный импульс). Зондирующий сигнал может быть также описан его частотным спектром Н(ω). Принятый отраженный от цели сигнал h(t) подается на согласованный фильтр, частотная характеристика которого Н*(ω) является комплексно-сопряженной по отношению к частотному спектру зондирующего сигнала. При этом на выходе согласованного фильтра появляется сжатый импульс, вид которого определяется обратным преобразованием Фурье произведения спектра зондирующего сигнала Н(ω) на частотную характеристику согласованного фильтра Н*(ω):

Выходной сигнал согласованного фильтра можно выразить и через импульсную характеристику кодирующего фильтра. Сжатый импульс определяется сверткой сигнала h(t) с импульсной характеристикой h(-t) согласованного фильтра:

где h(t-τ) — импульсная характеристика согласованного фильтра является обращенной во времени копией зондирующего сигнала h(τ).

Выходной сигнал согласованного фильтра hсж(t) можно трактовать как импульсную характеристику системы сжатия импульсов, этот сигнал является откликом такой системы на сигнал от одиночной точечной цели.

Таким образом, импульсная характеристика системы сжатия определяется сверткой импульсных характеристик кодирующего и согласованного фильтров

где hc(t)=h(-t) — импульсная характеристика согласованного фильтра;

** — знак операции свертки.

В качестве прототипа способа, наиболее близкого к предлагаемому изобретению, выбран способ, используемый в РЛС со сжатием импульсов [Применение цифровой обработки сигналов. Пер. с англ., п/р Э.Оппенгейма, пер. п/р А.Рязанцева. М.: Мир, 1980, стр.269].

Недостатком способа, описанного в прототипе, является то, что после сжатия согласованным фильтром выходной импульс имеет некоторую длительность и соответствующую ей ширину спектра, не позволяющие обеспечить заданное разрешение по дальности. Невозможно выделить детали изображения, размер которых менее длительности импульсной характеристики радиолокационной системы сжатия импульса. Кроме того, выходной сигнал согласованного фильтра состоит из сжатого импульса и некоторого числа откликов, соответствующих другим значениям дальности, которые называют боковыми лепестками по времени или по дальности. Боковые лепестки являются источником взаимных помех при наличии в одном интервале дальности сигналов от других целей, находящихся в других интервалах дальности, что может ограничить эффективный динамический диапазон радиолокационного приемника при приеме сигналов от больших целей и уменьшить разрешение. Для уменьшения уровня боковых лепестков используется амплитудная весовая обработка выходных сигналов, что нарушает условие согласования, и приводит к ухудшению разрешения по дальности, а также к уменьшению отношения сигнал/шум на выходе согласованного фильтра.

Задачей изобретения является повышение разрешающей способности по дальности РЛС при заданной ширине спектра зондирующего сигнала.

Решение ее достигается тем, что в отличие от известного способа разрешения целей по дальности, согласно изобретению до обнаружения цели дополнительно к согласованной фильтрации производится восстановление входного сигнала восстанавливающим фильтром.

Ранее в патенте РФ N 2182714 использован метод восстановления сигналов для решения другой технической задачи — повышения угловой разрешающей способности РЛС при обзоре. В этом изобретении технический результат достигался за счет формирования и обработки траекторного сигнала в согласованном фильтре и дополнительной обработки — восстановления входного траекторного сигнала в восстанавливающем фильтре.

Длительность импульсной характеристики реальной радиолокационной системы сжатия импульсов определяет искажение входного сигнала. Чем больше длительность импульсной характеристики системы сжатия импульсов, тем сильнее искажается входной сигнал и тем ниже разрешающая способность РЛС по дальности. Процесс восстановления (или устранения искажений) предусматривает апостериорное обращение тех этапов формирования и обработки сигнала, которые вызвали его искажение. Сигнал ξ(t) на выходе согласованного фильтра можно представить в виде свертки

На фиг.1 изображена эквивалентная структурная схема прохождения сигнала,

ρ(t) — входной сигнал или функция отражения цели;

hсж(t) — импульсная характеристика радиолокационной системы сжатия импульсов (3);

h(t) — импульсная характеристика системы формирования зондирующего сигнала (импульсная характеристика кодирующего фильтра);

Соотношение (4) можно трактовать следующим образом. На вход системы сжатия импульсов поступает входной сигнал ρ(t). На выходе системы сжатия наблюдается искаженный сигнал ξ(t). Степень искажения входного сигнала ρ(t) определяется длительностью импульсной характеристики системы сжатия hсж(t) и шумом n(t).

Под восстановлением сигнала понимается такая обработка искаженного сигнала ξ(t), которая позволяет получить функцию, наиболее близкую (по тому или иному критерию) к истинному входному сигналу ρ(t). Сущностью предлагаемого способа является нахождение оценки входного сигнала (функции отражения цели) по искаженному сигналу ξ(t) при известной импульсной характеристике системы сжатия импульсов hсж(t). Для этого на основе знания импульсной характеристики системы сжатия создается восстанавливающий фильтр, устраняющий внесенное в процессе формирования зондирующего сигнала и обработки отраженного сигнала искажение входного сигнала. Таким образом, метод восстановления сигнала основан на использовании априорной информации об искажении входного сигнала (см. фиг.1).

Обработка искаженного сигнала осуществляется в частотной области, оценка спектра входного сигнала производится с помощью фильтрации Винера и выполняется восстанавливающим фильтром с частотной характеристикой [Василенко Г.И. Теория восстановления сигналов. — О редукции к идеальному прибору в физике и технике. — М.: Сов. радио, 1979, — стр.113].

при этом оценка спектра входного сигнала определяется

где знак * означает комплексное сопряжение;

Нсж(jω) — частотная характеристика радиолокационной системы сжатия импульсов;

Wn(ω), Wρ(ω) — спектральные плотности мощности шума и входного сигнала ρ(t);

ξ(jω) — спектр искаженного сигнала ξ(t);

ω — круговая частота.

Приведенная в выражении (5) частотная характеристика оптимального линейного фильтра Винера позволяет получить оценку сигнала, близкую к входному в смысле минимума среднеквадратического отклонения при условии, что спектры плотности мощности входного сигнала и шума априорно известны. Если спектральные плотности мощности входного сигнала и шума не известны, то они могут быть оценены по искаженному сигналу [Ярославский Л.П. Цифровая обработка сигналов в оптике и голофафии. — Введение в цифровую оптику. — М.: Радио и связь, 1987. — стр.155].

На фиг.2 изображена структурная схема с возможным фактическим распределением функций между элементами схемы, где ξ1(t)=ρ(t)**h(t)+n1(t) — сигнал на входе согласованного фильтра;

При каскадном включении согласованного и восстанавливающего фильтров результирующая импульсная характеристика системы обработки hцсо(t) представляет собой свертку импульсных характеристик этих фильтров (см. фиг.2):

где hцсо(t) — импульсная характеристика блока цифровой системы обработки (ЦСО);

hc(t) — импульсная характеристика согласованного фильтра;

hв(t)- импульсная характеристика восстанавливающего фильтра с частотной характеристикой (5).

Процедура оценивания входного сигнала (или функции отражения цели) ρ(t) обеспечивается перемножением частотной характеристики ЦСО Нцсо(jω) с частотным спектром ξ1(jω) входного сигнала ξ1(t) с последующим обратным преобразованием Фурье во временную область, что соответствует линейной свертке сигнала на входе согласованного фильтра ξ1(t) с импульсной характеристикой блока ЦСО hцсо(t) во временной области (см. фиг.2) [Оппенгейм А.В., Шафер Р.В. Цифровая обработка сигналов, Пер. с англ. Под ред. С.Я.Шаца. — М.: Связь, 1979, стр.89].

Указанная процедура проводится в соответствии с алгоритмами:

операция прямого преобразования Фурье

где ξ1(t) — выходной сигнал приемника, поступающий в ЦСО на согласованный фильтр,

ξ1(jω) — частотный спектр выходного сигнала приемника, [Я.З.Цыпкин — Основы теории автоматических систем, 1977, стр.525] операция согласованной фильтрации в частотной области

где Hc(jω) — частотная характеристика согласованного фильтра,

ξ(jω) — частотный спектр выходного сигнала согласованного фильтра,

операция восстановления сигнала в восстанавливающем фильтре

где HB(jω) — частотная характеристика восстанавливающего фильтра Винера (5);

— оценка спектра входного сигнала;

Нцсо(jω) — частотная характеристика цифровой системы обработки ЦСО;

операция обратного преобразования Фурье

[Я.З.Цыпкин — Основы теории автоматических систем, 1977, стр.525] далее в обнаружителе производится обнаружение сигнала, а в вычислителе определяется дальность до цели.

Импульсная радиолокационная станция (РЛС) со сжатием импульсов и восстановлением сигналов связана единым изобретательским замыслом с вышеописанным способом разрешения целей по дальности и обеспечивает выполнение этого способа.

Радиолокационный сигнал, имеющий обычно вид последовательности коротких радиоимпульсов, формируется в передатчике и излучается антенной в пространство. Отражающие объекты — «цели» переотражают часть электромагнитной энергии в направлении РЛС. Некоторая часть отраженной в сторону РЛС энергии, образующей эхо-сигнал, улавливается антенной и детектируется в приемнике. Обнаружение эхо-сигнала свидетельствует о наличии цели. Сравнение отраженного сигнала с излученным позволяет получить информацию о цели: дальность и скорость перемещения относительно РЛС. В большинстве импульсных РЛС полученная информация отображается на электронно-лучевом индикаторе за которым наблюдает оператор.

В импульсных РЛС разрешение по дальности определяется длительностью зондирующего импульса. Чем короче импульс, тем выше разрешение. [Моделирование в радиолокации. А.И.Леонов, В.Н.Васенев, Ю.И.Гайдуков и др.; под ред. А.И.Леонова. — М.: Сов. радио, 1979, стр.10].

Однако укорочение импульса оказывается серьезной проблемой из-за ограничения у передатчика радиолокатора пиковой мощности, поскольку энергия излучаемого импульса пропорциональна его длительности. В результате при использовании простого монохроматического импульса увеличение разрешающей способности радиолокационной станции по дальности будет сопровождаться уменьшением дальности ее действия.

В качестве прототипа как наиболее близкая по своей технической сущности к предлагаемому изобретению выбрана импульсная РЛС со сжатием импульсов [Применение цифровой обработки сигналов. Пер. с англ. / Под ред. Э.Оппенгейма, пер. под ред. А.М.Рязанцева. — М.: Мир, 1980, стр.269].

Известная импульсная РЛС включает в себя антенну для излучения и приема сигналов, генератор передатчика для формирования сложных зондирующих сигналов, приемник для усиления сигналов и устройство обработки сигналов, в котором производится согласованная фильтрация принятых сигналов, обнаружение сигналов от цели и измерение дальности до цели. Для обеспечения разрешения РЛС по дальности в качестве зондирующего сигнала используется сложный сигнал в виде радиоимпульса с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ).

Отразившись от цели, ЛЧМ-импульс, принятый антенной, поступает после усиления в приемнике в устройство обработки сигналов. Устройство обработки содержит согласованный фильтр, где производится сжатие импульса во времени.

Однако применение техники сжатия импульса не позволяет сжать импульс до потенциально возможной величины, определяемой характеристиками спектра зондирующего сигнала.

Кроме того, сигнал на выходе согласованного фильтра помимо основного главного лепестка имеет боковые лепестки по оси дальности. Наличие боковых лепестков усложняет проблему обеспечения высокой разрешающей способности вследствие того, что боковые лепестки сигнала, отраженного от больших целей, могут маскировать основной сигнал, отраженный от небольшой цели, которая была бы обнаружена при отсутствии большой цели.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение разрешающей способности по дальности РЛС со сжатием импульсов посредством восстановления входного сигнала в восстанавливающем фильтре.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в импульсную РЛС со сжатием импульсов согласно изобретению дополнительно введен восстанавливающий фильтр, вход которого соединен с выходом согласованного фильтра, а выход — с входом обнаружителя.

На фиг.3 изображена блок-схема импульсной РЛС со сжатием импульсов и восстановлением.

РЛС содержит антенну 1, антенный переключатель 2, передатчик 3, приемник 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, цифровую систему обработки (ЦСО) 6, обнаружитель 7, вычислитель дальности 8. В состав ЦСО входят согласованный фильтр 9 и восстанавливающий фильтр 10.

На фиг.4 изображена блок-схема ЦСО.

ЦСО включает в себя блок оперативной памяти 11, процессор прямого быстрого преобразования Фурье (ПБПФ) 12, умножитель 13, долговременное запоминающее устройство (ДЗУ) 14, где хранятся отсчеты частотной характеристики ЦСО и процессор обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) 15.

РЛС содержит антенну 1, передатчик 3, выход которого через антенный переключатель 2 соединен с антенной 1, приемник 4, вход которого через антенный переключатель 2 соединен с выходом антенны 1, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, вход которого соединен с выходом приемника 4, согласованный фильтр 9, вход которого соединен с выходом АЦП 5, восстанавливающий фильтр 10, вход которого соединен с выходом согласованного фильтра 9, обнаружитель 7, вход которого соединен с выходом восстанавливающего фильтра 10, вычислитель дальности 8, вход которого соединен с выходом обнаружителя 7. ЦСО содержит блок оперативной памяти 11, вход которого соединен с выходом АЦП 5, а выход со входом процессора прямого быстрого преобразования Фурье (ПБПФ) 12, выход процессора ПБПФ соединен с первым входом умножителя 13, ко второму входу умножителя 13 подсоединен выход долговременного запоминающего устройства (ДЗУ) 14, выход умножителя 13 присоединен ко входу процессора обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) 15, выход процессора ОБПФ соединен со входом обнаружителя 7.

РЛС работает следующим образом. Антенна 1 излучает в пространство последовательность импульсов. Сигналы на антенну 1 для излучения в пространство поступают через антенный переключатель 2 с передатчика 3. Последовательность отраженных импульсов поступает через антенну 1 и антенный переключатель 2 на приемник 4. Через АЦП 5 сигнал поступает на цифровую систему обработки ЦСО 6, с выхода ЦСО на обнаружитель 7, а затем на вычислитель дальности 8. Вычисленная дальность обычно используется в системе индикации. В ЦСО 6 сигнал подвергается фильтрации в согласованном фильтре 9 и восстанавливающем фильтре 10. Вход согласованного фильтра 9 является входом ЦСО 6, а выход восстанавливающего фильтра 10 является выходом ЦСО 6.

В цифровой системе обработки (ЦСО) 6 на каждом периоде зондирования производится обработка сигнала в соответствии со структурной схемой, приведенной на фиг.2.

Отраженный от цели сигнал с шумом ξ1(t) с выхода АЦП 5 (см. фиг.3) поступает в ЦСО 6 на согласованный фильтр 9. В процессоре ПБПФ 12 (см. фиг.4) сигнал подвергается операции прямого быстрого преобразования Фурье ПБПФ в соответствии с алгоритмом (8) (в ЦСО — прямого дискретного преобразования Фурье (12), в результате которого определяется частотный спектр ξ1(jω) выходного сигнала приемника.

В умножителе 13 (см. фиг.4) производится умножение частотного спектра ξ1(jω) на частотную характеристику ЦСО Нцсо(jω) в соответствии с алгоритмом (10), в результате чего определяется оценка частотного спектра входного сигнала Данные о частотной характеристике Hцсо(jω) хранятся в ДЗУ 14. В процессоре ОБПФ 15 (см. фиг.4) частотный спектр подвергается процедуре обратного быстрого преобразования Фурье ОБПФ (11) (в ЦСО-обратного дискретного преобразования Фурье 15).

В ЦСО РЛС алгоритмы дискретного преобразования Фурье ДПФ реализуются в виде известных алгоритмов прямого и обратного быстрого преобразования Фурье ПБПФ и ОБПФ в соответствии с блок-схемой, приведенной на фиг.4.

Блок цифровой системы обработки может быть реализован на основе программно-управляемого процессора, например, фирмы RCA (США) [Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны /В.Н.Антипов, В.Т.Горяинов, А.Н.Кулин и др.; под ред. В.Т.Горяинова. — М.: Радио и связь, 1988 — стр.211].

С целью проверки предлагаемого способа разрешения целей по дальности были проведены численные эксперименты. Эксперименты показали, что введение операции восстановления входного сигнала в процесс сжатия сигнала по дальности импульсной радиолокационной станции позволяет:

— расширить эффективную полосу зондирующего сигнала и как следствие — увеличить разрешающую способность РЛС по дальности;

— снизить уровень боковых лепестков сжатого импульса по сравнению с результатами согласованной фильтрации;

— повысить точность измерения дальности до цели.

1. Способ разрешения целей по дальности импульсной радиолокационной станцией, заключающийся в том, что передающая антенна станции излучает сложные зондирующие сигналы с внутриимпульсной частотной модуляцией или фазовой манипуляцией, генерируемые передатчиком, приемная антенна станции принимает отраженные сигналы, в приемном тракте на каждом периоде повторения импульсов производится фильтрация принятых сигналов в согласованном фильтре, согласованном с зондирующим сигналом, в обнаружителе принимается решение об обнаружении сигналов и в вычислителе производится определение дальности до цели, отличающийся тем, что до обнаружения сигнала на каждом периоде повторения импульсов дополнительно к согласованной фильтрации после сжатия импульса производится восстановление сигнала восстанавливающим фильтром.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что восстанавливающим фильтром является фильтр Винера.

3. Импульсная радиолокационная станция, содержащая антенну, соединенную через антенный переключатель с передатчиком и приемным трактом, включающим приемник, вход которого соединен с выходом антенны через антенный переключатель, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом приемника, согласованный фильтр, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, обнаружитель, вычислитель дальности, вход которого соединен с выходом обнаружителя, отличающаяся тем, что в приемный тракт введен восстанавливающий фильтр, вход которого соединен с выходом согласованного фильтра, а выход — с входом обнаружителя.

www.findpatent.ru

Это интересно:

  • Заявление о взыскании судебных расходов апк Заявление о взыскании судебных расходов апк В Арбитражный суд Омской области Истец: Товарищество собственников жилья «. », г. Омск, ул. . д. . Ответчик: Общество с ограниченной ответственностью «. » 644010, г. Омск, ул. . . Третье лицо: Общество с ограниченной […]
  • Приказ по критериям качества Приказ по критериям качества МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ от 10 мая 2017 года N 203н 1. Утвердить критерии оценки качества медицинской помощи согласно приложению. 3. Признать утратившим силу приказ Министерства здравоохранения Российской Федерации от […]
  • Какие права имеет учитель на уроке Права и обязанности учащихся Неотъемлемой составляющей образования является воспитание - педагогически рациональное управление процессам развития личности ребенка. Такое его понимание закреплено в Законе РФ «Об образовании» и находит подтверждение в практике работы […]
  • Федеральный закон от 20 августа 2004 г 117-фз Федеральный закон от 20 августа 2004 г. N 117-ФЗ "О накопительно-ипотечной системе жилищного обеспечения военнослужащих" (с изменениями и дополнениями) Федеральный закон от 20 августа 2004 г. N 117-ФЗ"О накопительно-ипотечной системе жилищного обеспечения военнослужащих" С […]
  • Разрешение гороно Ребенок взрослый 17 лет. Надо ли согласие Гороно на продажу квартиры. Хотим уехать из Балаково в другой город. Если Ваш «взрослый» ребенок прописан (зарегистрирован) в квартире, согласие «ГОРОНО» при ее продаже не требуется. А вот если Ваш ребенок имеет долю в праве общей […]
  • Как оформить контрольную в институте Требования по оформлению контрольных работ ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ПИСЬМЕННЫХ РАБОТ 1.Работа выполняется печатным способом с использованием компьютера и принтера на одной стороне листа формата А4 через полтора (1,5) интервала. Тип шрифта (гарнитура) - Times New […]
  • Право собственности на автомобиль возникает Договор купли-продажи автомобиля заключен 23.12.2013, автомобиль зарегистрирован в ГИБДД. Срок оплаты по договору - 5 дней, но фактически оплата будет производиться в январе 2014 года. Автомобиль стоимостью более 40 000 рублей и сроком полезного использования более 12 […]
  • Заявление об освобождении от занятий в школе Тема: Помогите составить заявление Опции темы Помогите составить заявление Мы для соревнований/тренировок писали что-то типа такого: Директору гимназии № . . от (Ф.И.О. родителя), проживающего по адресу. телефон . Прошу освободить от занятий моего (мою) сына (дочь) . […]