Устройство обнаружения группы из двух источников непрерывного шумового излучения, находящихся в луче амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в моноимпульсных радиолокационных системах, предназначенных для обзора и сопровождения по угловым координатам радиолокационных объектов в условиях воздействия на них преднамеренных непрерывных шумовых помех. В приемное устройство типовой амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы введено специализированное вычислительное устройство, содержащее трехканальный аналого-цифровой преобразователь и специализированное вычислительное устройство. Аналого-цифровой преобразователь осуществляет преобразование входных сигналов в соответствующие цифровые двоичные коды, которые затем подвергаются совместной обработке согласно разработанному алгоритму. Специализированное вычислительное устройство содержит два перемножителя, два накопителя, два формирователя модуля флюктуаций напряжения сигнала угловой ошибки по углу места и азимуту, два логарифмических функциональных преобразователя, формирователь разности, каскад задержки, формирователь модульного значения напряжения разности и устройство сравнения. Входные радиочастотные сигналы преобразуются в АЦП в соответствующие цифровые двоичные коды. С выхода второго канала АЦП сигнал суммы поступает на каскад задержки, где задерживается по времени. Задержка равносильна сдвигу по фазе сигнала суммарного канала на /2. Сигнал в качестве опорного поступает на перемножители каналов угла места и азимута. В результате перемножения опорного напряжения с разностными сигналами каналов угла места и азимута, а затем интегрирования с помощью накопителей на интервале времени, выделяются низкочастотные флюктуации ортогональных составляющих угловых ошибок комплексного пеленга цели каналов угла места и азимута. Формирователи модульного значения или огибающих сигналов угловых флюктуаций обеспечивают на интервале времени наблюдения выделение в каждом из каналов угла места и азимута уровней постоянного напряжения пропорционального интенсивности угловых флюктуаций. Вычитающее устройство совместно с логарифмическими преобразователями амплитуды напряжений и формирователем модульного значения напряжения разности реализуют операцию нормирования полученных значений. Устройство принятия решения осуществляет сравнение входного напряжения с пороговым уровнем, сформированным в соответствии с используемым значением вероятности ложной тревоги. В результате сравнения согласно критерию Неймана-Пирсона принимается решение о наличии в луче РЛС групповой или одиночной цели.

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в моноимпульсных радиолокационных системах, предназначенных для обзора и сопровождения по угловым координатам радиолокационных объектов в условиях воздействия на них преднамеренных непрерывных шумовых помех.

Данное устройство позволяет при условиях, имеющих место на практике, обеспечить обнаружение в луче антенны моноимпульсной РЛС группу источников шумового излучения, в то время, когда типовым пеленгатором в этом случае групповой источник некогерентного излучения воспринимается как одиночный радиолокационный объект. Технический эффект в предлагаемом устройстве достигается использованием информации, в настоящее время пренебрегаемой в типовом моноимпульсном пеленгаторе, которая содержится в квадратурной (по отношению к суммарному сигналу) составляющей нормированного разностного сигнала. Реализация предлагаемой полезной модели не требует конструктивных изменений в аппаратуре существующих пеленгаторов и сводится к введению в их состав дополнительного устройства обработки, подключаемого к выходу приемных каналов, что не нарушает нормальные режимы работы аппаратуры РЛС при сопровождении одиночных целей. Листинг программы, реализующей алгоритм функционирования полезной модели и использующей синтаксис математического пакета Matlab версии 6.5, приведен далее.

В луче амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы расположены два источника шумового излучения - постановщика активных помех (ПАП). Равносигнальное направление (РСН) антенны пеленгатора в общем случае произвольно ориентировано относительно энергетического центра данной группы (см. фиг.5). Предполагается, что сигналы источников, прошедшие через приемное устройство, являются узкополосными нормальными случайными процессами с нулевым средним. На интервале времени наблюдения Т_н, не превышающем период повторения зондирующих импульсов, эти процессы удовлетворяют условиям стационарности и эргодичности. Собственные шумы приемных каналов считаются независимыми. Полагается так же, что за время Т_н угловое положение объектов (источников излучения) относительно РСН антенны (см. фиг.6), не меняется.

Пренебрегая нормирующим действием АРУ приемного устройства, сигналы, поступающие на вход вычислительного устройства, можно представить в следующем виде

Здесь f_J, f_i, f_i - значения нормированных суммарной и разностных диаграмм направленности антенны каналов и в направлении на i-й источник излучения, i=1,2;

- сигналы источников излучения и собственного шума каналов приемника, соответствующие узкополосным нормальным случайным процессам с нулевым средним и дисперсиями соответственно.

Параметры сигналов соответствуют условию, когда источники излучения находятся на РСН. Для удобства проведения сравнительного анализа параметры пересчитаны к входу вычислительного устройства.

Суммарная f_i разностные f_i, f_i диаграммы направленности сформированы соответствующей комбинацией парциальных диаграмм, каждая из которых определяется выражением

где _i - значение обобщенной угловой координаты в направлении на i-й источник; k - параметр, определяющий ширину главного лепестка; ₀ - смещение парциальной диаграммы относительно РСН равное 0,5_0,5 (0,5_0,5 - ширина главного лепестка по уровню половинной мощности).

Для упрощения дальнейших записей индексы и в разностных сигналах временно заменим на индекс , полагая рассматриваемые далее соотношения с обобщенным параметром относятся к каждой угловой координате.

Используя комплексную форму представления огибающих сигналов, выражения (1) можно представить в следующем виде

где S_i(t), N(t), N(t) - релеевски распределенные амплитудные множители, a _i(t), (t), (t) - равновероятные в интервале [0, 2] фазы, i=1,2.

Для выделения квадратурной составляющей разностного сигнала опорное колебание перемножителей формируется путем задержки во времени сигнала суммарного канала на t_ç=T _o/4 (где Т_o=2/_o), что равносильно задержке его по фазе на /2. В результате получим опорное колебание

Перемножитель и накопитель выделяют низкочастотные флюктуации квадратурной (ортогональной относительно суммарного сигнала) составляющей колебания разностного канала:

где - символ означает усреднение результата перемножения на интервале времени Т_нч, удовлетворяющем условию: 2/_o<<T_нч<1/П, П - полоса пропускания приемного канала; - низкочастотные флюктуации, образованные перекрестными комбинациями помеховых компонент 1-го (2-го) источника излучения и собственных шумов приемных каналов, а также взаимные флюктуации шумов суммарного и разностного каналов за счет конечности времени усреднения.

Для упрощения физической трактовки получаемых результатов рассмотрим случай, когда отношение помеха/собственный шум много больше единицы и в выражении (2) величиной можно пренебречь. Тогда формирователь модульного значения квадратурной составляющей угловой ошибки на интервале времени наблюдения Т_н (Т_н>>Т_нч ) выделит постоянную составляющую огибающей флюктуаций, уровень напряжения которой с точностью до постоянного множителя определяется величиной

Выражение (3) характеризует среднее квадратическое значение (ско) угловых флюктуаций эквивалентного мгновенного центра излучения группы из двух источников шумовой помехи.

При отклонении объектов групповой цели от РСН антенны на угол, не превышающий ширины луча _0,5 по уровню половинной мощности, значения суммарной и разностной диаграмм направленности в выражении (3) можно упростить и представить в виде [1]

fconst; f_i=_i·µ,

где _i - обобщенная угловая координата, соответствующая отклонение i-го объекта от РСН антенны, µ - параметр, характеризующий пеленгационную чувствительность углового измерителя.

Тогда получаем

Здесь (₁-₂) - угловая база (размер) группы в конкретной координатной плоскости.

Используя оценки ско угловых флюктуаций для угловых плоскостей и , вычитающее устройство совместно с логарифмическими функциональными преобразователями позволяет найти значение выходного параметра А согласно соотношению:

Данное преобразование обеспечивает нормировку и исключает (в идеальном случае) зависимость результата обработки от интенсивности источников шумового излучения.

Следует заметить, что при записи выражения (5) из-за упрощений сделанных ранее, не учтены составляющие обрабатываемых колебаний, соответствующие перекрестным комбинациям собственного шума каналов приемника и источников помехи, которые в реальной ситуации (так же и при имитационном моделировании) имеют место. Поэтому при =0 реально имеем и нормировка значения происходит уровнем шумовых компонент (которые в выражении (5) не показаны), что исключает ситуацию деления на ноль. И если при этом 0 (т.е. когда цель - групповая), то . В случае, когда =0 и =0 (т.е. цель - одиночная), имеет место и, следовательно, . Это обеспечивает нормальное функционирование алгоритма обработки.

Известны варианты устройств [1 с.165], предложенных с целью повышения угловой разрешающей способности пеленгатора по группе источников некогерентного излучения и использующих функциональную обработку сигналов. Принцип работы устройств основан на формировании оценок корреляционных и взаимных корреляционных функций сигналов, принятых многоканальной антенной, и последующем решении систем уравнений, описывающих эти функции.

Предложенные в данной работе варианты обработки сигналов носят общетеоретический характер и не учитывают особенностей практической реализации. Наиболее существенным является то, что реализация их связана с необходимостью использования специальной (нетиповой) многоканальной антенной системы. Что в случае реализации вызовет трудности в обеспечении идентичности и стабильности характеристик приемных каналов [2].

Применительно к группе источников когерентного излучения известен способ и структурная схема устройства повышения угловой разрешающей способности моноимпульсной РЛС с использованием стробирования по углу [2, с.109]. Данное устройство является наиболее близким к предлагаемому по характеру решаемой задачи и использует типовую структуру приемника амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы. Основным элементом измерительного устройства, соответствующим одной плоскости пеленгации, является антенна с двумя рупорными облучателями, формирующими в пространстве две парциальные диаграммы направленности, которые возбуждаются одновременно соответствующими передатчиками, работающими на разнесенных частотах. Для приема отраженных сигналов использованы два приемника. Каждый из них построен по типовой двухканальной (соответственно для суммарного и разностного сигналов) схеме. Благодаря частотному разносу, фазовые детекторы приемных каналов формируют независимые напряжения сигнала угловой ошибки, которые содержат информацию об угловом положении групповой цели. С помощью специально вводимого суммарно-разностного устройства осуществляется формирование результирующего напряжения угловых ошибок. Нулевой сигнал ошибки служит критерием наличия в зондируемом пространстве одиночной цели. При наличии в неразрешаемом объеме пространства двух целей равенство нулю сигнала на выходе системы становится невыполнимым. Это является критерием наличия в зоне пеленгования групповой цели [2]. Принятие решения о характере цели осуществляется оператором на основе анализа флюктуаций напряжения сигнала ошибки, наблюдаемых на экране осциллографа.

Недостатками данного устройства являются сложность конструкции (необходимость введения в РЛС дополнительного канала приемопередающей аппаратуры), отсутствие четкого количественного критерия обнаружения, а также субъективность оператора в принятии решения. Кроме того, система работоспособна только в следящем режиме, причем при условии точного совмещения РСН антенны с энергетическим центром отслеживаемой цели.

Основной целью предлагаемой полезной модели является повышение угловой разрешающей способности, объективности принятия решения о характере цели (одиночная - групповая) для наиболее сложной ситуации - при нахождении в луче пеленгатора источников некогерентных (шумовых) помех, когда в принципе невозможно разрешение ни по дальности, ни по скорости.

Поставленная цель достигается тем, что в приемное устройство типовой амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы [2, с.78], содержащее антенну с суммарно-разностным преобразователем и формирующее три выходных сигнала (суммы и двух разностных по углу места и азимуту), три смесителя и общий гетеродин, три усилителя промежуточной частоты (УПЧ), охваченных автоматической регулировкой усиления по сигналу суммы, два фазовых детектора, формирующих сигналы угловых ошибок по углу места и азимуту дополнительно введено специализированное вычислительное устройство. На входы АЦП поступают радиочастотные сигналы с выхода УПЧ каналов угла места, азимута и суммы. АЦП осуществляет преобразование входных сигналов в соответствующие цифровые двоичные коды, которые затем подвергаются совместной обработке согласно разработанному алгоритму.

Структурная схема специализированного вычислительного устройства, поясняющая алгоритм его работы, показана на фиг.1.

Устройство содержит первый перемножитель (5), первый накопитель (7), формирователь модуля флюктуации напряжения сигнала угловой ошибки по углу места (8), первый логарифмический функциональный преобразователь амплитуды напряжений (9), формирователь разности (10), каскад задержки (4), второй перемножитель (6), второй накопитель (11), формирователь модуля флюктуации напряжения сигнала угловой ошибки по азимуту (12), второй логарифмический функциональный преобразователь амплитуды напряжений (13), формирователь модульного значения напряжения разности (14) и устройство сравнения (15).

Устройство работает следующим образом.

Входы устройства подключаются к выходам УПЧ приемного устройства моноимпульсного пеленгатора параллельно основным элементам типовой структуры РЛС. Для реализации обработки входные радиочастотные сигналы преобразуются в АЦП в соответствующие цифровые двоичные коды. С выхода второго канала АЦП (1) сигнал суммы поступает на каскад задержки (4), где задерживается по времени на величину =1/4f_опч, где f_опч - среднее значение частоты полосы пропускания приемника на промежуточной частоте. Эта задержка равносильна сдвигу по фазе сигнала суммарного канала на /2. Этот сигнал в качестве опорного поступает на перемножители (5 и 6) каналов угла места и азимута . В результате перемножения опорного напряжения с разностными сигналами каналов и , а затем интегрирования с помощью накопителей (7 и 11) на интервале времени Т (1/f_опч<<Т<1/f, f - полоса пропускания приемного тракта), выделяются низкочастотные флюктуации ортогональных составляющих угловых ошибок комплексного пеленга цели каналов и . Средние квадратические значения этих флюктуации зависят от интенсивности источников помеховых колебаний групповой цели, а также угловой базы между источниками. Формирователи модульного значения или огибающих сигналов угловых флюктуации (8 и 12) обеспечивают на интервале времени наблюдения Т_н (Т_н>Т) выделение в каждом из каналов ( и ) уровней постоянного напряжения пропорционального интенсивности угловых флюктуации. Вычитающее устройство (10) совместно с логарифмическими преобразователями амплитуды напряжений (9 и 13) и формирователем модульного значения напряжения разности (14) реализуют операцию нормирования полученных значений. Это снижает зависимость выходного сигнала схемы разности от интенсивности источников шумового излучения и обеспечивает зависимость входного напряжения устройства принятия решения только от соотношения угловых баз (размеров) групповой цели в плоскостях и . Устройство принятия решения (15) осуществляет сравнение входного напряжения с пороговым уровнем, сформированным в соответствии с используемым значением вероятности ложной тревоги. В результате сравнения согласно критерию Неймана-Пирсона принимается решение о наличии в луче РЛС групповой или одиночной цели.

Анализ результатов исследования имитационной модели разработанного устройства подтверждает высокие показатели качества обнаружения групповой цели. На фиг.2, фиг.3 и фиг.4 приведены графики кривых обнаружения (зависимости вероятности правильного обнаружения D при фиксированной вероятности ложной тревоги F) группы из двух источников непрерывного шумового излучения для нескольких значений интенсивности помеховых колебаний на входе устройства обработки сигналов q_i=²_i/²_ш. Здесь ²_i, ²_ш - дисперсии колебаний i-го источника помехи и собственного шума приемника (i=1,2), и - нормированные (отнесенные к ширине луча антенны РЛС) значения угловой базы группы соответственно в плоскостях и . Графики, представленные на фиг.2, соответствуют ситуации, когда РСН антенны РЛС совмещено с направлением на источник под номером два.

Анализ результатов моделирования показывает, что при произвольном угловом положении источников шумового излучения относительно РСН антенны (в пределах телесного угла, соответствующего главному лепестку диаграммы направленности) и при прочих равных условиях вероятность обнаружения группы практически соответствует значению, которое следует из графиков фиг.2, фиг.3 и фиг.4.

Устройство обнаружения группы из двух источников непрерывного шумового излучения, находящихся в луче амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы может быть изготовлено на известном оборудовании и известными промышленными средствами.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Царьков Н.М. Многоканальные радиолокационные измерители. - М.: Сов. радио, 1980, 192 с.

2. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1984. - 312 с., ил.

Устройство обнаружения группы из двух источников непрерывного шумового излучения, находящихся в луче амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы, содержащее трехканальный аналого-цифровой преобразователь и специализированное вычислительное устройство, отличающееся тем, что специализированное вычислительное устройство выполнено в виде первого перемножителя, вход которого последовательно соединен со вторым аналого-цифровым преобразователем, второго перемножителя, вход которого последовательно соединен с третьим аналого-цифровым преобразователем, каскада задержки, вход которого последовательно соединен с первым аналого-цифровым преобразователем, а выход параллельно соединен со входами первого перемножителя и второго перемножителя, первого накопителя, последовательно соединенного с выходом первого перемножителя и второго накопителя, последовательно соединенного с выходом второго перемножителя, формирователя модульного значения сигнала угловой ошибки по углу места, последовательно соединенного с выходом первого накопителя, формирователя модульного значения сигнала угловой ошибки по азимуту, последовательно соединенного с выходом второго накопителя; первого логарифмического функционального преобразователя амплитуды напряжений, последовательно соединенного с выходом формирователя модульного значения сигнала угловой ошибки по углу места, и второго логарифмического функционального преобразователя амплитуды напряжений, последовательно соединенного с выходом формирователя модульного значения сигнала угловой ошибки по азимуту, вычитающего устройства, параллельно соединенного с выходами первого и второго логарифмических функциональных преобразователей амплитуды напряжений, формирователя модульного значения напряжения разности, последовательно соединенного с выходом вычитающего устройства; устройства сравнения, последовательно соединенного с выходом формирователя модульного значения напряжения разности и осуществляющего сравнение входного напряжения с пороговым уровнем, сформированным в соответствии с используемым значением вероятности ложной тревоги, в результате чего, согласно критерию Неймана-Пирсона, принимается решение о наличии в луче РЛС групповой или одиночной цели.