Призначення і класифікація накопичувачів РЛС

Рішення про наявність сигналу ухвалюється по пачці імпульсів, а не по кожному окремому імпульсу. Тому у складі приймального пристрою повинен бути узгоджений фільтр не тільки для одиночного імпульсу, але і для пачки радіоімпульсів. Цей фільтр називають накопичувачем радіолокаційних сигналів.

Накопичувачі радіолокаційних сигналів класифікуються таким чином:

1. По вигляду накопичення: когерентні накопичувачі; некогерентні накопичувачі, змішані.

2. По числу каналів (дальності, швидкості): одноканальні; багатоканальні.

3. За принципом побудови:

на лініях затримки з відведеннями через період повторення;

− на вузькосмугових фільтрах (фільтрові накопичувачі);

− на вузькосмугових фільтрах з тимчасовою селекцією (корреляционо-фільтрові накопичувачі);

− на лініях затримки із зворотним зв'язком (рециркулятори);

− на інтегруючих потенціалоскопах;

− на електронно-променевих трубках;

− цифрові накопичувачі;

− оптичні накопичувачі.

4. По числу ступенів накопичення: одноступінчаті (кратні); багатоступінчаті (наприклад, двократні); двохетапні.

Найширше застосування в РЛС виявлення знаходять рециркулятори, накопичувачі на базі електронно-променевих трубок і цифрові накопичувачі.

8. Структурна схема оптимального фільтра (рис. 3.68)

Сигнал, що приймається, в імпульсних РЛС є послідовністю радіоімпульсів. Якщо рахувати цю послідовність когерентною і подати її на когерентний (фазовий або синхронний) детектор, то на його виході утворюється послідовність відеоімпульсів. для неї і будується оптимальний фільтр, рахуючи огинаючу послідовності прямокутною.

На рис.3.68 показана структурна схема оптимального фільтру (ОФ) для послідовності відеоімпульсних сигналів. Вона складається з фільтру, оптимального одиничному відеоімпульсу (інтегруючого, затримуючого на тривалість імпульсу t і віднімаючого пристроїв) і системи з одного затримуючого на якийсь час (N - 1) T пристрою з N - 2 рівномірно розташованими відведеннями і пристрою, що підсумовує.

В оптимальному фільтрі для огинаючої послідовності сигнал збільшується в N раз по напрузі, тобто в N² раз по потужності, а шум - N раз по потужності. Арифметичне підсумовування сигналу і підсумовування алгебри шуму пояснюється регулярністю (не випадковістю) першого і некоррелірованністю другого.

9. Структурна схема однократного та двократного накопичувача рециркулятора (рис. 3.71, 3.75)

Пристрій, в якому підсумовування в ОФ для огинаючої послідовності коливань, зсунутих на якийсь час, кратне періоду повторення сигналів, інакше називають ідеальним накопичувачем.

Головний недолік ідеального накопичувача (рис.3.68) полягає в складності його схеми і конструкції, яка зростає у міру збільшення числа накопичуваних імпульсів N. Тому на практиці звичайно застосовують квазіоптимальні фільтри для огинаючої послідовності імпульсів.

Одноразовий накопичувач реалізує очевидну ідею багатократного використовування одного і того ж пристрою затримки на час Т, для чого воно включається в ланцюг зворотного зв'язку (ОС) суматора. Щоб останній не самозбуджувався, в його ланцюг ОС ставиться ослаблювач з коефіцієнтом передачі m (m < 1).

При дії на вхід ОФ послідовності N прямокутних імпульсів кожний з них перетворюється в трикутний в ОФ для такого імпульсу. Цей імпульс, потрапляючи на вхід суматора, з'являється зразу ж на його виході і поступає в ланцюг ОС, де затримується на час Т і ослабляється, умножаючись на m, після чого знов поступає в суматор через другий вхід, проходить на його вихід і знову в ланцюг ОС, де знову затримується на час Т і ослабляється і т.д.

Таким чином, кожен імпульс, потрапляючи на вхід цього накопичувача, багато разів циркулює по його ланцюгу ОС, затримуючись на час Т і ослабляючись при кожній циркуляції. Тому такий накопичувач називається рециркулятором.

Таким чином, рециркулятор є гребінчастим фільтром. При подачі на його вхід послідовності імпульсних сигналів і білого шуму на його вхід передаються з великим коефіцієнтом тільки ті спектральні складові, частоти яких близькі до частот, кратних частоті повторення сигналу. А саме на цих частотах складові спектру сигналу є найінтенсивнішими. Решта складових сигналу, а також більшості спектральних компонент шуму передаються на вихід з ослабленням. Внаслідок цього відношення сигнал-шум на виході гребінчастого фільтру значно більше, ніж на вході. У цьому і полягає суть виділення гребінчастим фільтром корисних сигналів з їх суміші з шумом.

Двократний накопичувач. Щоб збільшити число накопичуваних імпульсів і тим самим підвищити ефективність роботи накопичувача, необхідно послідовно з першим рециркулятором включити другий, одержавши таким чином двократний накопичувач (рис.3.75).

10. Структурна схема квазіоптимальної фільтрації когерентних послідовностей радіоімпульсних сигналів (рис. 3.80)

Реалізація пристрою когерентної обробки послідовності радіоімпульсів дещо спрощується, якщо замінити ідеальний радіочастотний накопичувач радіочастотним рециркулятором (рис.3.80),. Проте здійснення і такого пристрою з нестабільностями, багато меншими періоду несучого коливання, - вельми складна і практично нездійсненна задача.

Таким чином, в цьому і полягає головний недолік оптимальних фільтрів для когерентних послідовностей радіоімпульсів і взагалі фільтрового методу їх оптимальної обробки.

РОФОС – радіочастотний оптимальний фільтр для одиночного сигналу

+ – суматор

m – ослаблювач з коефіцієнтом передачі m

Т – лінія затримки на час Т

χ(Т) – фазообертач на кут χ(Т)

11. Структурні схеми кореляційно-фільтрової обробки когерентних послідовностей радіоімпульсних сигналів (рис. 3.81)

Відомо, що оптимальне виявлення на фоні білого шуму зводиться до обчислення кореляційного інтеграла.

Це обчислення може бути вироблене або безпосередньо за допомогою перемножувача і інтегратора (кореляційний метод), або за допомогою оптимального цьому сигналу фільтру (фільтрової метод), або за допомогою кореляційно-фільтрового методу. При одному з варіантів його застосування множення коливання, що приймається, на несуче виробляється в когерентному детекторі (КГД), керованому вказаним коливанням і перетворюючому коливання, що приймається, у відеочастотне. Фільтрація останнього здійснюється за допомогою оптимального фільтру (ОФ), побудованого для відеочастотної огинаючої сигналу і працюючого на відеочастоті (рис.3.81,а), унаслідок чого істотно спрощується його здійснення.

Якщо сигнал, що приймається, є послідовністю радіоімпульсів, то ОФ для його відеочастотної огинаючої складається з оптимального фільтру для одиночного відеоімпульсного сигналу ОФОС і оптимального фільтру для огинаючої послідовності імпульсів ОФОП (ідеального накопичувача), які розташовуються після КГД (рис.3.81,б). Але при такій побудові системи обробки когерентний детектор працює в тяжких умовах, оскільки на його вхід поступають не тільки слабкі сигнали, але і білий шум з його теоретично необмеженою потужністю, а також інші перешкоди. Щоб полегшити його роботу, оптимальний фільтр для одиночного імпульсу переносять з відеотракту в радіотракт і, перетворюючи його в радіочастотний РОФОС, ставлять перед когерентному детектором КГД (рис.3.81,в). Зважаючи на лінійність когерентного детектора і фільтру схеми на рис.3.81,б і рис.3.81,в повністю еквівалентні.

При випадковій початковій фазі система оптимальної обробки має два канали (рис.3.81,г) квадратури, як і структурна схема оптимального виявлення такого сигналу. Двохканальною є і структурна схема квазіоптимальної обробки даного сигналу (рис.3.81,д), на якому накопичувальний пристрій скорочено позначений НУ.

КГД – когерентний детектор

ОФ – оптимальний фільтр

ОФОС – оптимальний фільтр одиночного сигнала

ОФОП – оптимальний фільтр згинаючої послідовності імпульсів

РОФОС – радіочастотний оптимальний фільтр для одиночного сигналу

КВ – квадратурний випрямляч

НУ – накопичуючий пристрій

+ – суматор

 

12. Структурна схема когерентного накопичення імпульсних сигналів з невідомим доплерівським зрушенням по частоті (рис. 3.84)

При відносному русі об'єкту, що відображається, коливання, що приймаються, мають частоту f = f _o + F _Д, де f_o - випромінювана частота: F _Д = f _o·[(1 – V _r/ c)]/(1 + V _r/ c)» 2^. V _r/l)

Для здійснення когерентного накопичення сигналів від рухомих об'єктів є три можливості.

Перша полягає в побудові багатоканальної системи обробки (рис 3.84). Кожен її канал відповідає одній з порівняно вузьких ділянок спектру очікуваних частот Доплера, а сукупність всіх її каналів перекриває повністю цей спектр. Кожен канал цієї системи виконується по структурній схемі з наявністю генератора частоти Доплера ГЧД і змішувача СМ випромінюваної частоти fo і частоти Доплера FД. Фазообертач ФО змінює фазу одного з опорних коливань на 90^о.

Друга можливість когерентного накопичення сигналів від рухомих об'єктів полягає в пошуку об'єкту по радіальній швидкості і реалізується системою обробки, в якій генератор частоти Доплера ГЧД перебудовується у всьому діапазоні очікуваних частот Доплера. Проте описана система вимагає в М раз більшого часу на пошук і накопичення сигналів, ніж в багатоканальній системі. Тому в системах виявлення об'єктів, що швидко переміщаються, вона не може бути використана по тактичних міркуваннях.

Третя можливість когерентного накопичення сигналів від рухомих об'єктів реалізується за допомогою одноканальної системи, в якій одночасно і когерентно накопичуються імпульсні сигнали з різними доплерівськими зрушеннями по частоті.

РФ – режекторний фільтр

КГД – когерентний детектор

ФВ - фазообертач

СМ – змішувач

ГЧД – генератор частоти Доплера

КВ – квадратурний випрямляч

НУ – накопичуючий пристрій

+ – суматор

 

13. Схема некогерентного накопичення та структурна схема некогерентного накопичення з рециркулятором (рис. 3.87, 3.92)

Некогерентними називають сигнали, фазову структуру яких не можна вважати закономірною. Прикладом некогерентного сигналу є пачка радіоімпульсів, якщо початкові фази кожного їх їх випадкові.

При великому перевищенні сигналу над шумом як фільтр, близький до узгодженого, можуть використовуватися схема з квадратичною характеристикою (квадратичний детектор) і інтегратор (рис.3.87).

У даній схемі накопичення сигналів здійснюється після амплітудного (некогерентного) детектора, тому її називають схемою некогерентного накопичення сигналу. В результаті такого накопичення залишається інформація, що міститься тільки в амплітуді сигналу і повністю відкидається інформація про його фазові значення, порогові сигнали при цьому накопиченні вищі, ніж при когерентному. Унаслідок ігнорування фазової інформації при некогерентному накопиченні безповоротно втрачається інформація про радіальну швидкість об'єкту, що відобразив сигнал.

Після детектора виділяється послідовність відеоімпульсів мети і практично безперервний шум. Щоб в інтеграторі не накопичувалися шуми в перервах надходження сигналу, він повинен підключатися на вихід детектора тільки на час дії сигналу. Оскільки дальність до цілей невідома і цілей може бути декілька, то інтегратор повинен бути багатоканальним по дальності і інтегрувати сигнали, що поступають з однаковим запізнюванням, у всіх періодах повторення імпульсів. Як подібні інтегратори використовують лінії затримки з відведеннями, гребінчасті фільтри, потенціалоскопи, а також різні пристрої стробує і запам'ятовування. Проте найчастіше при некогерентній обробці не дуже великої послідовності імпульсів роль інтегратора виконує індикатор і око оператора.

Ефективність некогерентного експоненціально-вагового накопичення. Некогерентне накопичення з рециркулятором як накопичувач (рис.3.92), імпульсна характеристика якого представляє послідовність імпульсів з експоненціально убуваючими амплітудами, носить назву некогерентного експоненціально-вагового накопичення.

КВД – квадратурний детектор

+ – суматор

m – ослаблювач з коефіцієнтом передачі m

Т – лінія затримки на час Т

14. Спрощена структурна схема РЛС, в якій реалізовано обробку широкосмугових сигналів з ЛЧМ (рис. 3.93)

Широкосмуговими (або складними) називаються сигнали, що мають одночасно велику тривалість і широкий спектр, тобто для яких виконується умова D f _спt_и >> 1, де D f _сп - ширина спектру сигналу.

Обробка сигналів з лінійною частотною модуляцією. Після віддзеркалення від цілі ЛЧМС приймається антеною і проходить через антенний перемикач (АП) в приймач, що складається з УВЧ, ПЧ, УПЧ, фільтру стиснення, коректуючого фільтру і відеодетектора (рис.3.93).

Оптимальна обробка ЛЧМ сигналів повинна забезпечувати їх максимальне стиснення по тривалості з одночасним підвищенням відношення сигнал-шум. Оптимальний фільтр повинен мати імпульсну характеристику, дзеркальну по відношенню до сигнальної функції.

Таким оптимальним фільтром ЛЧМ сигналу є, наприклад, дисперсійна лінія затримки (ДЛЗ). Як ДЛЗ використовують хвилеводи, одна із стінок яких вимірна з довжиною хвилі; лінії затримки, складені з великої кількості контурів, налаштованих на близькі частоти.

Найбільше поширення на практиці набули ультразвукові ДЛЗ (УДЛЗ).

АП –антенний перемикач

УВЧ – підсилювач високої частоти

УПЧ – підсилювач проміжної частоти

15. Спрощена структурна схема РЛС, в якій реалізовано обробку широкосмугових сигналів з ФКМ (рис. 3.102)

Широкосмуговими (або складними) називаються сигнали, що мають одночасно велику тривалість і широкий спектр, тобто для яких виконується умова D f _спt_и >> 1, де D f _сп - ширина спектру сигналу.

Обробка сигналів з фазовою модуляцією. Коливання U₁несучої частоти ЗГ передавача посилюються в одному з двох стробованих підсилювачів, потім в ПП і через антенний перемикач поступають в антену у вигляді фазоманіпулірованих радіоімпульсів. Маніпуляція здійснюється за допомогою схеми формування коду, яка запускається синхронізатором РЛС. Кодові послідовності імпульсів U₂, U₃ стробують підсилювачі так, що в інтервалах часу з кодовим символом 0 відкритий підсилювач, що не створює фазового зрушення, а при символі 1 - інший підсилювач, що зсовує фазу. Це і дозволяє одержувати в підсилювачі потужності і антені радіоімпульси із заданим кодом (00010).

Прийняті радіоімпульси через АП проходять в приймач і піддаються оптимальній обробці на проміжній частоті.

Лінія затримки, через яку пропускається послідовність імпульсів проміжної частоти U₅, має відведення з інтервалами tк.. Щоб стиснути імпульси від tи до tк, потрібно поруйнувати фазову маніпуляцію, тобто виробляти декодування в зворотній послідовності кодуванню: замість 00010 скачки фази повинні слідувати коду 01000. Відповідно до суматора підключені 1-е, 3-е, 4-е і 5-е відведення ЛЗ безпосередньо, а 2-й - через фазообертач на П (інвертування).

УМ – підсилювач потужності

АП –антенний перемикач

УВЧ – підсилювач високої частоти

УПЧ – підсилювач проміжної частоти