79 ОБНАРУЖЕНИЕ-ИЗМЕРЕНИЕ МНОГОЧАСТОТНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее время в радиолокационных, навигационных и метеорологических радиотехнических системах обнаружение и измерение параметров отраженного сигнала, а также улучшение характеристик радиолокационных станций (РЛС) является традиционной и в то же время актуальной задачей, стоящей при разработке современных РЛС. Большое значение данной проблемы связано с ростом требований, выдвигаемых к таким РЛС, и с увеличением количества одновременно решаемых задач в различных режимах работы. При этом к таким многофункциональным РЛС предъявляются противоречивые требования, которые трудно выполнить в рамках одноканальных систем. Решение данной задачи возможно при переходе к многоканальным системам, одним из типов которых являются многочастотные РЛС.

Учебное пособие посвящено рассмотрению вопросов синтеза и анализа систем совместного обнаружения и измерения многочастотных сигналов, обеспечивающих повышение эффективности обнаружения и однозначного измерения радиальной скорости цели на фоне некоррелированных шумов в случае когерентно-импульсных сигналов высокой скважности.

Первая глава посвящена рассмотрению принципов обработки многочастотных сигналов и построения многочастотных РЛС, а также применения многочастотных сигналов для решения проблемы однозначного измерения радиальной скорости цели.

Во второй главе рассматриваются: статистическое описание многочастотных сигналов с учетом реальной модели отраженных сигналов, на основе которого проведены синтез оптимальных и квазиоптимальных обнаружителей многочастотных сигналов, синтез алгоритма однозначного измерения радиальной скорости цели и построение систем совместного обнаружения-измерения многочастотных сигналов.

Третья глава посвящена анализу эффективности синтезированных систем обработки многочастотных сигналов на основе метода характеристических функций, в частности метода собственных значений, применение которого позволяет точно рассчитать характеристики обнаружения систем обработки. Кроме того, рассматривается анализ точности измерения радиальной скорости цели, которая характеризуется дисперсией оценки, определяемой на основе выражения Рао-Крамера.

1. МНОГОЧАСТОТНАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ

 

1.1. Формирование многочастотного сигнала

Многочастотные сигналы представляют собой совокупность нескольких сигналов с различными несущими частотами и одинаковыми или разными законами модуляции. Принципиально возможно формирование многочастотных сигналов на основе одновременного излучения нескольких сигналов с различными несущими частотами или со смещением во времени за счет быстрой перестройки несущей частоты зондирующего сигнала по определенному закону.

Одновременное излучение сигналов с различными несущими частотами может быть осуществлено несколькими способами. Наиболее простым из них является способ, при котором многочастотный сигнал формируется группой передатчиков с различными несущими частотами. В таких многочастотных РЛС непрерывного излучения, как правило, каждый передатчик работает на отдельную передающую антенну, а каждый приемник подключен соответственно к отдельной приемной антенне. Такая схема передающего тракта характерна для многочастотных РЛС непрерывного излучения, например доплеровских РЛС обнаружения низколетящих целей.

Одновременное излучение сигналов с различными несущими частотами может быть обеспечено при использовании в передающем устройстве в качестве задающего генератора многочастотного автогенератора. Различают три основных типа многочастотных автогенераторов: с использованием гармоник основной частоты; с произвольным соотношением собственных частот контуров; с запаздывающей обратной связью. Кроме этого, возможны многочастотные автогенераторы, представляющие собой различные комбинации указанных выше основных типов. Особый интерес, с точки зрения использования многочастотных сигналов в радиолокации, представляет третий тип многочастотных автогенераторов – с запаздывающей обратной связью, генерирующий колебания со спектром частот вокруг основной частоты. В дециметровом и сантиметровом диапазонах волн такие многочастотные автогенераторы могут быть созданы на лампах бегущей или обратной волны с внутренней (через замедляющую систему) или внешней обратной связью. Еще одним из способов одновременного формирования сигналов с различными несущими частотами может являться синтезирование частот. В многочастотных передающих устройствах находит применение пассивный метод синтезирования частот, основанный на использовании только генераторов гармоник, смесителей и фильтров [1].

Быстрая перестройка частоты в целях многочастотной работы может применяться как в радиолокационных устройствах с непрерывным излучением, так и в импульсных РЛС. При этом осуществляется скачкообразное изменение несущей частоты в пределах длительности каждого импульса. В этом случае каждый импульс можно рассматривать как состоящий из нескольких элементарных импульсов с разными частотами заполнения (как правило, равной длительности). Временное смещение составляющих такого многочастотного сигнала равно длительности каждого предыдущего элементарного импульса. Однако обработка такого сигнала в приемном устройстве при введении соответствующей временной задержки в каждом частотном канале аналогична обработке одновременно сформированного многочастотного сигнала.

Быстрая перестройка несущей частоты РЛС может быть достигнута несколькими способами: непосредственной перестройкой частоты однокаскадного мощного автогенератора СВЧ; перестройкой частоты маломощного задающего генератора с последующим усилением генерируемых им сигналов в широкополосном усилителе мощности; попеременной работой нескольких передатчиков с разными несущими частотами.

Быстрая перестройка частоты РЛС путем попеременной работы нескольких передатчиков с различными несущими частотами применяется в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую стабильность или очень большой разнос несущих частот. Попеременная работа передатчиков достигается непосредственным поочередным подключением их к тракту передачи энергии или путем селекции их сигналов специальным частотным селектором. В первом случае выходы всех передатчиков подключаются к мощному широкополосному переключателю, который попеременно подключает передатчики к антенне по заданной программе. Работой переключателя управляет синхронизатор РЛС. Во втором случае выходы передатчиков подключаются к общему частотному селектору, управляемому также синхронизатором РЛС. РЛС с перестройкой частоты путем попеременной работы нескольких передатчиков обладают высокой надежностью работы. Это объясняется тем, что при выходе из строя отдельных передатчиков работоспособность РЛС сохраняется, лишь в некоторой степени ухудшаются ее характеристики.

Частота может изменяться по заранее заданному, случайному или псевдослучайному закону. Выбор закона перестройки частоты зависит от назначения РЛС, числа рабочих частот, способа обработки принятых сигналов и некоторых других факторов. Кроме рассмотренного, теоретически обоснованы и в разной степени технически осуществлены три основных метода быстрого изменения несущей частоты импульсных РЛС. Первый метод – изменение несущей частоты от импульса к импульсу. Этот метод чаще всего используется для формирования многочастотного сигнала с временным смещением составляющих сигналов, равным периоду их повторения (изменение несущей частоты от периода к периоду повторения сигналов при излучении в каждом периоде только одного импульса). Второй метод – изменение несущей частоты от одной группы импульсов к другой. Использование этого метода для формирования многочастотного сигнала чаще всего оправдано при высоких частотах повторения импульсов, когда возможности изменения несущей частоты от импульса к импульсу ограничены реально достижимой скоростью перестройки приемно-передающего тракта. Третий метод – изменение несущей частоты в пределах длительности каждого импульса около некоторого среднего значения частоты, изменяющегося в свою очередь от периода к периоду повторения импульсов или через несколько периодов. Этот метод является комбинацией двух предыдущих методов. По-видимому, техническое использование его наиболее сложно, хотя с точки зрения помехозащищенности РЛС он может явиться одним из наиболее эффективных [1].

Излучение многочастотного сигнала в РЛС можно осуществлять двумя путями. Это, во первых, частотно-многоканальные станции, в которых основные показатели определяются совокупностью действия всех частотных каналов. В таких РЛС излучение на нескольких частотах осуществляется в пределах одной и той же диаграммы направленности. Во втором случае каждая составляющая многочастотного сигнала излучается в пределах самостоятельной диаграммы направленности, которая смещена в пространстве относительно друг друга. Такие частотно-многолучевые РЛС, как правило, используются для создания диаграмм направленности сложной формы и по своей сути не являются многоканальными [2].

В частотно-многоканальных РЛС имеется несколько передатчиков, работающих на различных несущих частотах f1, f2, . . ., fL (рис. 1.1), которые запускаются общим синхронизирующим устройством. Высокочастотные колебания после волнового сумматора подводятся к облучателю зеркала антенны и излучаются в пределах одной диаграммы направленности. Принятые сигналы раздельно обрабатываются в n приемниках с последующим суммированием результатов обработки.

 

 

Рис. 1.1

 

Таким образом, многочастотный сигнал, излучаемый в пределах одной диаграммы направленности, может быть сформирован на основе быстрой перестройки несущей частоты РЛС или путем одновременного излучения сигналов с различными несущими частотами. Выбор способа формирования многочастотного сигнала, а также характер флюктуаций отраженных от цели сигналов, распределение мощности между частотными каналами, количество несущих частот, величина их разноса и способ обработки отраженных сигналов являются основными факторами, определяющими степень улучшения характеристик РЛС.

 

1.2. Способы обработки многочастотных сигналов

Наибольший эффект от многочастотной радиолокации достигается при статистической независимости сигналов, соответствующих различным несущим частотам. Физически это объясняется тем, что при этом соответствующие им максимумы диаграмм вторичного излучения цели смещены относительно друг друга. Это приводит к уменьшению изрезанности суммарной (эквивалентной) диаграммы вторичного излучения и относительной величины флюктуаций отраженного сигнала, благодаря чему повышаются дальность действия РЛС и надежность обнаружения цели. Необходимым (но не достаточным) условием статистической независимости отраженных сигналов является ортогональность соответствующих составляющих зондирующего сигнала [3].

Доказано, что отраженные от одной и той же цели сигналы статистически независимы в случае, если их спектры не перекрываются. Данное условие не может быть обеспечено подбором законов модуляции составляющих зондирующего многочастотного сигнала, а выполняется только при достаточно большой величине разноса их частот. Таким образом, условием статистической независимости сигналов, соответствующих различным несущим частотам, является разнос несущих частот fнj на величину, определяемую как [4]:

,

где lцр – радиальная протяженность цели, м.

Статистическая независимость отраженных от цели составляющих многочастотного сигнала позволяет обрабатывать их независимо друг от друга. При этом оптимальная обработка многочастотного сигнала заключается в раздельной обработке каждой частотной составляющей с последующим суммированием результатов обработки и сравнением суммарного сигнала с порогом. При этом в каждом частотном канале производится обработка на основе когерентного или некогерентного накопления [3].

Кроме того, возможны следующие способы объединения частотных каналов многочастотной РЛС: линейное суммирование сигналов всех частотных каналов; попарное суммирование сигналов с последующим перемножением сумм; попарное перемножение с последующим суммированием произведений; перемножение сигналов всех частотных каналов. Первый вариант обеспечивает наибольшую вероятность правильного обнаружения при заданной дальности и обладает наименьшей помехозащищенностью. Последний вариант, наоборот, обладает наибольшей помехозащищенностью при наименьшей дальности действия. Второй и третий способы объединения частотных каналов представляют собой комбинации рассмотренных способов обработки многочастотного сигнала – линейного суммирования и перемножения сигналов.

Существенное влияние на способ объединения частотных каналов, кроме обеспечения заданной вероятности ложной тревоги и помехозащищенности, оказывает характер междупериодной обработки (когерентной или некогерентной) в частотных каналах. Этот вопрос подробнее будет рассмотрен во второй главе.

Выбор числа рабочих частот и величины их разноса является одним из наиболее важных вопросов при проектировании многочастотных РЛС. С одной стороны, слишком малое число частот или недостаточный их разнос не позволяют добиться необходимого сглаживания флюктуаций отраженного сигнала, в результате чего возможности многочастотной радиолокации целей реализуются в неполной мере. С другой стороны, слишком большое число рабочих частот может оказаться причиной значительного усложнения конструкции, увеличения габаритов и массы РЛС, а при определенных условиях, кроме того, причиной снижения эффективности многочастотной работы.

Максимально возможное число рабочих частот зависит прежде всего от периода обработки принимаемых сигналов. Часто период обработки сигналов равен одному циклу обзора; тогда максимально возможное число рабочих частот будет равно количеству импульсов, принятых за цикл обзора от одной цели (Lмакс=N). Если многочастотная работа РЛС достигается путем быстрой перестройки несущей частоты, то максимально возможное число рабочих частот ограничивается и другими факторами – диапазонностью приемно-передающего тракта РЛС (Dfпер) и минимально необходимым с точки зрения независимости сигналов разносом частот (Dfр мин):

.

Если найденное по приведенной формуле значение Lмакс превышает количество совместно обрабатываемых сигналов (N), то имеется возможность большего разноса рабочих частот РЛС в целях обеспечения лучших условий независимости принимаемых сигналов и более полного использования диапазона возможной перестройки несущей частоты РЛС. Если величина Lмакс значительно меньше оптимального числа рабочих частот, соответствующего заданным условиям обнаружения целей, то это означает, что приемно-передающий тракт РЛС не обладает достаточной диапазонностью, необходимой для обеспечения независимости составляющих многочастотного сигнала, и нуждается в усложнении конструкции.

Кроме того, многочастотные (многоканальные) РЛС отличаются от одночастотных (одноканальных) более высокой надежностью работы. Это связано с тем, что в многоканальной РЛС выход из строя отдельных каналов еще не означает отказа всей системы; даже если (L–1) каналов выйдут из строя, а работоспособным останется только один, то полного отказа системы не произойдет, хотя ее характеристики могут существенно ухудшиться. Если вероятность безотказной работы отдельного канала в течение заданного отрезка времени равна , то вероятность сохранения работоспособным хотя бы одного канала из трех за то же время равна:

.

Вероятность безотказной работы системы возрастает весьма существенно. Если, например,  (низкая надежность), то вероятность безотказной работы 3-канальной станции достигает 0,933.

 

1.3. Измерение радиальной скорости цели

Измерение радиальной скорости цели vr относительно РЛС основано на эффекте Доплера. Данный эффект проявляется в том, что частота принимаемых колебаний отличается от частоты излучаемых колебаний, если излучатель и приемник перемещаются относительно друг друга. Величина доплеровского сдвига частоты пропорциональна радиальной скорости движения цели. Как известно [5], доплеровский сдвиг частоты отраженных сигналов относительно несущей частоты зондирующих сигналов fн:

.

Эффект Доплера проявляется как на несущей частоте сигнала, так и на частоте любого другого колебания, которое может быть выделено из сигнала с помощью линейных или нелинейных преобразований. Если сигнал не является монохроматическим, то эффект Доплера обусловливает изменение частоты всех спектральных составляющих сигнала. Так как доплеровское смещение для различных спектральных составляющих различно, то эффект Доплера приводит к искажению формы сигнала и изменению параметров, зависящих от времени: длительности импульса, периода повторения и длительности пачки, которые увеличиваются при удалении цели и уменьшаются при ее приближении.

Кроме того, при измерении радиальной скорости необходимо учитывать наличие стробоскопического эффекта в импульсных РЛС, который приводит к тому, что однозначное измерение скорости возможно при условии Fд < Fп/2, где Fп=1/Тп – частота повторения импульсов.

Традиционным решением при совместных измерениях времени запаздывания (дальности) и частоты колебаний (радиальной скорости) являются многоканальные измерители (рис. 1.2). Каждый доплеровский канал содержит согласованный фильтр СФ и детектор Д, выходная величина которого подается на схему выбора максимума СВМ [6]. При превышении порога в пороговом блоке ПБ ключ К пропускает на выход оценку доплеровского смещения частоты сигнала, которая соответствует оценке максимального правдоподобия. Многоканальность по частоте обусловлена тем, что согласованный фильтр не обладает инвариантностью относительно частоты сигнала. Расстройка Df согласованных фильтров определяется разрешающей способностью сигнала по частоте, которая характеризуется протяженностью сечения тела неопределенности сигнала вдоль частотной оси. Число каналов оптимального измерителя определяется как:

,

где [Fmax, Fmin] – доплеровский диапазон смещения частоты сигала.

Однако реализация многоканальных измерителей приводит к существенному усложнению аппаратуры. При этом точность измерения определяется числом используемых доплеровских каналов.

 

 

Рис. 1.2

 

Для повышения эффективности обнаружения и точности измерения можно использовать обнаружитель-измеритель, осуществляющий одноканальную когерентную обработку отраженных сигналов [7]. Структурная схема такого обнаружителя-измерителя когерентно-импульсных сигналов изображена на рис. 1.3. Одноканальное когерентное накопление входных отсчетов осуществляется на основе блока задержки на период повторения T, блока комплексного сопряжения (*), комплексного умножителя () и междупериодного накопителя H. Кроме того, схема содержит вычислитель фазы ВФ, выполняющий алгоритмы, которые подробно будут рассмотрены во второй главе, вычислитель модуля ВМ и пороговый блок БП.

 

 

Рис. 1.3

 

Однако для когерентно-импульсных РЛС, работающих в режиме высокой скважности, достоинством которых является высокая разрешающая способность по дальности, необходимо иметь в виду, что период повторения Тп выбирается в РЛС данного типа из условия однозначного измерения максимальной дальности Dмакс:

.

При этом однозначное измерение радиальной скорости цели nr возможно в пределах:

,

где l - длина волны зондирующего сигнала, что с учетом реальных скоростей большинства радиолокационных целей совершенно недостаточно. Увеличить длину волны зондирующего сигнала для перекрытия всего диапазона реальных скоростей цели не позволяют ограничения, накладываемые на ширину диаграммы направленности антенны РЛС.

Для расширения диапазона однозначно измеряемых радиальных скоростей цели можно использовать двухчастотный метод [5] или неэквидистантную последовательность импульсов, [7]. Структурная схема двухчастотной РЛС изображена на рис. 1.4 и содержит два генератора радиочастоты ГРЧ, когерентный гетеродин КГ, фазируемый радиоимпульсом на разностной частоте w2-w1, гетеродин ГЕТ, усилители радиочастоты УРЧ, усилители промежуточной частоты УПЧ, фазовый детектор ФД и индикатор Инд.

 

 

Рис. 1.4

 

С помощью смесителя 1 выделяется фазирующий радиоимпульс на разностной частоте w2 – w1 и осуществляется фазирование КГ.