книги / Цифровые устройства селекции движущихся целей

характеристика диаграммы направленности антенны; / д(т) - доплеров­

ский сдвиг сигнала по частоте; вт - изменение фазы за счет задержки

отраженного сигнала.

Рис.3.2

Последовательность цифровых кодов таких выборок поступает в блок дискретного преобразования Фурье, где преобразуется в доплеров­ ский частотный спектр в соответствии с алгоритмом:

Z[xl;n)]= Z[CTr,]Z[g(«r)]6 ( / - y ; i)exp[7 0 ,J,

где Z[(T;(/")] и Z[g(nT)] представляют собой дискретное преобразование

Фурье о)'п) и g(nT) соответственно.

Преобразованная таким образом информация с помощью АК по­ ступает в запоминающие блоки частотных каналов. При этом количест­ во ячеек памяти запоминающего блока каждого из каналов определяет­ ся размерами сектора пространства, в котором присутствует коррелиро­ ванная помеха.

Информация, записанная в запоминающем блоке, и соответст­ вующая ей информация текущего обзора поступают одновременно на вычитающий блок, где производится их сравнение.

Результаты вычитания сравниваются в цифровых компараторах с выбранным порогом к0, и в случае превышения порога выносится ре­

шение об обнаружении цели, а номер канала, в котором превышен по­ рог, определяется с помощью выходного коммутатора.

За счет такой междуобзорной обработки информации рассматри­ ваемая система СДЦ обеспечивает обнаружение цели, радиальная со­ ставляющая скорости которой равна или близка к нулю, позволяет по­ давлять мешающие отражения от подвижных помех с любым простран­

51

ственным распределением и не требует использования специальной схемы компенсации "скорости ветра" Причем параллельный частот­ ный анализ сигнала позволяет осуществить разделение спектров цели и помехи по доплеровским частотам.

3.1.3. Вторичная обработка информации в системах СДЦ, ис­ пользующих мсждуобзорную компенсацию пассивных помех. Сис­ темы СДЦ с междуобзорной обработкой информации целесообразно использовать в комплексе с устройствами вторичной обработки радио­ локационной информации. Располагая данными о положении цели с выхода устройств вторичной обработки, можно стробировать оператив­ ное ЗУ системы СДЦ, что позволяет существенно сократить объем ап­ паратурных затрат и улучшить условия обнаружения движущихся целей на фоне коррелированных помех.

На рис.3.3 представлено цифровое устройство междуобзорной компенсации пассивных помех, которое может быть использовано как дополнительная ступень к известным схемам СДЦ, использующим междупериодную обработку сигналов.

Тл

Рис. 3.3

Схема содержит: запоминающее устройство ЗУ, формирующее "карту" помеховой обстановки; вычитающее устройство ВУ; блок взя­ тия модуля БВМ; цифровой фильтр накопления ЦН; цифровой компа­ ратор ЦК и канал обратной связи, состоящий из блока оценки коорди­ нат БОК, блока экстраполяции БЭ, генератора строба ГС и блока стро­ бирования БС.

При этом в каждом цикле обзора в блоке оценки координат произ­ водится определение координат цели (дальности и азимута) с учетом информации о времени задержки отраженных импульсов цели относи­ тельно зондирующих импульсов r R и об угловом положении антенны

РЛС в момент прохождения максимума диаграммы, направленности в направлении цели а , которая поступает с устройства первичной обра­ ботки сигналов.

52

Блок экстраполяции, используя поступающие оценки координат цели в каждом обзоре, формирует значение оценки координат для сле­ дующего цикла обзора. Это позволяет с помощью генератора строба и блока стробирования осуществить стробирование только тех ячеек па­ мяти блока памяти, в которых ожидается появление сигналов цели. При этом остальные ячейки памяти запоминающего блока, соответствующие тем элементам пространства, в которых ожидается присутствие только помехи, исключаются из дальнейшего рассмотрения.

Аналогичный принцип обработки можно использовать и в им­ пульсно-доплеровских системах СДЦ, в которых стробирование осуще­ ствляется в каждом из доплеровских каналов. Структурная схема для этого режима работы представлена на рис.3.4.

Рис. 3.4

Схема содержит: блок БПФ, блоки стробирования БС, запоми­ нающие устройства ЗУ, вычитающие устройства ВУ, блоки взятия мо­ дуля БВМ, цифровые компараторы ЦК, блоки оценки координат БОК, блоки экстраполяции БЭ, генераторы строба ГС, адресный коммутатор ДК, выходной коммутатор ВК.

В отличие от схемы рис.3.3, данная схема является многоканаль­ ной по частоте Доплера.

3.2.Анализ эффективности цифровых систем СДЦ

смеждуобзориой компенсацией помех

3.2.1.Физическая модель отраженных сигналов цели и пассивных помех. Как известно [2], статистические свойства пачки отраженных сигналов цели полностью описываются многомерной плотностью веро­

53

ятности, конкретный вид которой определяется корреляционной матри­ цей суммарного сигнала:

# 2 «(z) = 0 / 2л-)"(1/ det)игВ1пехр[—1/ 2(zr - аг)(1/ В2п )(z - а)],

где zr =(z„z2,...,z2n)r - 2п -мерный вектор-столбец; а =(аи а2,...,а2п)т

- вектор, равный математическому ожиданию вектора z ; det В2п - оп­

ределитель матрицы В2п.

Элементы корреляционной матрицы пассивной помехи В2п опре­

деляются из соотношений:

Здесь <pJk=(lJ'n =4nTnVr/& - доплеровский сдвиг фазы за период по­

вторения; Уг - радиальная составляющая скорости цели; Я - длина вол­

ны; S(f) - энергетический спектр сигнала, симметричный относитель­

но промежуточной частоты / 0.

Обычно при описании энергетических спектров сигналов и помехи

используют аппроксимации (1.4), (1.5): 5г( /) = е х р [-2 ,8 (/-/0/Д /)2] -

гауссовский спектр, соответствующий быстрому спаданию спектра, и

Sp(f ) = \/[\ +2 ( f - f 0/ t y ) 2] - резонансный спектр, соответствующий

случаю медленного спадания спектра.

При рассмотрении вопросов междуобзорной обработки информа­ ции для описания статистических свойств нескольких смежных пачек отраженных импульсов необходимо использовать двумерную модель энергетических спектров пассивной помехи и цели. Это позволяет учи­ тывать как междупериодные, так и междуобзорные корреляционные связи реальных отраженных сигналов, а выделение полезных сигналов и компенсация помех производится с помощью частотно-временных режекторных фильтров[8].

Используя гауссову аппроксимацию, представим энергетический спектр смежных пачек отраженных импульсов в виде

54

где А/ и AF - значения эффективной ширины двумерного спектра.

С учетом принятой аппроксимации энергетического спектра со­

Полученный совместный коэффициент корреляции (3.4) можно представить в виде произведения;

г(/,т) = гп(/)г0(т),

где rn(t) - коэффициент, характеризующий междупериодную корреля­ ционную связь между импульсами одной пачки; г0(т) - коэффициент,

учитывающий междуобзорйую корреляционную'связь между импуль­ сами смежных пачек.

3.2.2. Амплитудно-частотные характеристики систем СДЦ междуобзорной обработкой информации. Рассмотрим вначале систе­ му СДЦ с междуобзорной обработкой информаций, работающую в ре­ жиме высокой скважности излучения сигналов (см. рис.3.1).

Представим в общем случае сигнал на входе системы СДЦ в виде двумерного процесса U(tyт). Тогда на выходе системы подавления его

можно записать как U (t-Tnj-*-TQ), где Тп - период повторения; Т0 - период обзора.

Переходя к спектральным представлениям сигналов, можно полу­ чить двумерный энергетический спектр на входе устройства в виде

Sux((0, Q) = JJU(l,r) ехр[-у'й)Г]ехр[-у£2т\dtdx.

О

Тогда на выходе л и н и и задержки на период повторения спектр сигнала равен

5ВЫХ((0,Q) = ju(l -T„, т) exp[~j(Ot]dt.

О

^спользуя теорему о запаздывании, получаем

оо

П) = exp[-ja)Tn]J U(t, т) exp[-Jarc]dt = cxp[-ja)Tn]S^ (co,Q).

9

Следовательно, после междупериодного вычитания с учетам ,лит Л^йности устройства компенсации спектр сигнала

S'aux = Sax ((О, О) - SDWX(to, Q) = SbX(fi>;Q)(1- exp[- jcoTn]).

55

Аналогично спектр сигнала на выходе линии задержки на период обзора

5"BUX(fi),£J) = Sm(й> £2)(1- ехр[—/*»7^])exp[-_/Q7^,],

и, следовательно, энергетический спектр выходного сигнала после междупериодного и междуобзорного вычитания

S»UX ( " . Л ) = S вы* ( " . & ) - 5 "вых( < » .« ) =

= Sm{co,Q)(\-exp[-j(oT„]) -

(3.5)

-Sm(й),Q)(l - ехр[-уй)Гп]) exp[-jQTJ =

=Sm((o,Q.)(\-exp[-j(oT„])(\-exp[-jQT0]).

Тогда частотная характеристика рассматриваемой системы СДЦ примет’вид

= S-uk«0.n)/.Srt«o,n) F (1 - Следовательно, АЧХ системы подавления

|Н((0, П)| = |(1- ехр[-уй)7’п])(1 - exp[-yQf0])| =

(3.6)

= 4sin(o)7,n /2)sin(Qro/2).

3.2.3. Оценка эффективности систем СДЦ с междуобзорной об работкой информации. Качество работы РЛС с системой СДЦ оцени­ вают по степени различимости сигналов движущихся целей на фоне пассивных помех.

Одним из показателей качества работы систем СДЦ является коэф­ фициент подавления помехи

где Рпвых - мощность нескомпенсированного остатка пассивной помехи; Рпвх - мощность пассивной помехи на входе системы подавления.

Используя выражение для АЧХ системы подавления, коэффициент подавления представим в виде

где 5nBX(co,Q) - энергетический спектр пассивной помехи на входе сис­ темы подавления; H(co,Q) - АЧХ системы подавления.

Воспользовавшись гауссовой аппроксимацией двумерного энерге­ тического спектра коррелированной помехи и учитывая вид АЧХ рас­ сматриваемой системы СДЦ (3.6), найдем выражейие для коэффициента подавления помехи системы СДЦ:

56

/Сп =Щ ехр[-Ш й)/Дад2

+(СИt& 'tfy o xуй'“ld [ f16sin2(ft)7J,/ 2)sin2(Q7J,/2)ехр[-2,8((й)/Дй^,)2 + (3.9)

+(О/ДЦ,)2]dadC^=(0,25/{1 - ехр[(-1/ 2,ЩкЩпТп)2]}х

х{1 -ехр[(-1/ 2,8ХлгА^п7^)2]}).

На основании формулы (3.9) были рассчитаны коэффициенты по­ давления помехи для различных значений коэффициентов междуобзорной корреляции.

Зависимости коэффициентов подавления помехи от степени кор­ реляционной связи между отраженными импульсами смежных пачек для режима высокой скважности и квазинепрерывного режима пред­ ставлены на рис.3.5,а, 3.5,6 и рис.3.6 и 3.7 соответственно.

Рис. 3.5

57

На этих же рисунках для сравнения приведены аналогичные зави­ симости для схемы однократной ЧПК и обычной импульсно­ доплеровской системы, показанные штриховыми кривыми. Из графиков видно, что системы СДЦ с междуобзорной обработкой информации позволяют повысить эффективность подавления помехи. Следует отме­ тить, что двухступенчатая система СДЦ обладает высокой эффективно­ стью при компенсации подвижных пассивных помех, когда обычные схемы ЧПК не обеспечивают необходимого подавления помехи.

Более объективной оценкой качества работы систем СДЦ является коэффициент улучшения отношения сигнал/помеха [1]:

^у=(^вых/^пвых)/(^свх/^пвхХ

где РсВЬ1ХРпвых > вх» вх “ мощность сигнала и помехи на входе и вы­

ходе компенсирующего устройства соответственно.

Полученные выше соотношения для энергетических спектров сиг­ налов цели и помехи и АЧХ (3.6) позволяют определить коэффициент улучшения отношении сигнал/помеха для двухступенчатой системы

х{1- ехр[(-1 / 2,8)(тгДFnro )2 ]}.

На рис.3.8 и 3.9 приведены зависимости коэффициента улучшения отношения сигнал/помеха от относительной ширины спектра помехи для двух рассматривае­ мых режимов работы

РЛС.

Здесь же для срав­ нения штриховыми кри­ выми изображены анало­ гичные зависимости для схемы однократной ЧПК и обычной импульсно­ доплеровской РЛС.

Как видно из ри­ сунков, обе рассмотренные схемы СДЦ с междуобзорной обработкой информации обладают высокой эффективностью при обнаружении це­ лей с близкой к нулю радиальной составляющей скорости движения, что является их важным преимуществом по сравнению с известными системами СДЦ.

58

3.3.Стабилизация вероятности ложных тревог

всистемах СДЦ с междуобзориой обработкой информации

Обнаружение сигналов на фоне пассивных помех, как правило, проис­ ходит при неполной априорной информации о статистических свойст­ вах сигналов и помех.

Оптимизация системы обнаружения в этих условиях может быть осуществлена с использованием адаптивных методов обработки.

Адаптивные принципы построения систем СДЦ требуют предвари­ тельной оценки параметров воздействующих помех. К числу неизвестных параметров пассивной помехи, подлежащих оценке, относятся мощность помехи и ее спектрально-корреляционные характеристики, которые описы­ ваются коэффициентами междупериодной и междуобзориой корреляции помехи, а также шириной ее энергетического спектра.

В частности, при наличии нестационарных пространственно­ неоднородных пассивных помех, интенсивность которых может изме­ няться по элементам разрешения и от обзора к обзору, что приводит к возрастанию ложных решений на выходе обнаружителя. При формиро­ вании " карты " помеховой обстановки, которая используется затем для сравнения со смежными циклами обзора, можно определить изменение интенсивности помех и установки адаптивных порогов обнаружения.

На рис.3.10 представлена комбинированная схема, в которой обра­ ботка сигналов производится в два этапа. На первом этапе с помощью двухканальной схемы междупериодной обработки осуществляется ком­ пенсация коррелированных помех в цифровых режекторных фильтрах, с последующим накоплением пачки и принятием решения о наличии це­ ли. Таким образом, в отличие от схемы, представленной на рис. 3.1, принятие решения здесь происходит на первом этапе междупериодной обработки. На втором этапе междуобзориой обработки производится компенсация решений, обязанных наличию остатков вычитания помех, прошедших через фильтры междупериодной обработки сигналов. Число таких решений определяет уровень ложных тревог и может быть значи-

Рис. 3.10

59

тельно уменьшено за счет междуобзорной компенсации с использова­ нием кадрового запоминающего и кадрового вычитающего устройства.

При этом решения, связанные с наличием движущихся целей, не компенсируются за счет изменения положения отметок движущихся целей в смежных обзорах.

Представленная на рис.3.10 схема включает в себя: фазовые детек­ торы ФД, аналого-цифровые преобразователи АЦП, цифровые режекторные фильтры ЦРФ, квадраторы КВ, схему объединения СО, цифро­ вой накопитель пачки ЦНП, пороговое устройство ПУ, кадровое запо­ минающее устройство КЗУ, кадровое вычитающее устройство КВУ, выходной коммутатор ВК.

Эффективность стабилизации вероятности ложных тревог в дан­ ной схеме определяется степенью компенсации решений, обязанных наличием нескомпенсированных помех, за счет междуобзорного их вы­ читания в кадровом вычитающем устройстве. Следует отметить также, что потребный объем памяти КЗУ в данной схеме может быть значи­ тельно уменьшен, так как на его вход поступают не многоразрядные цифровые коды сигналов, а единичные импульсы с выхода решающего устройства, которые записываются в соответствующие ячейки памяти в зависимости от местоположения отметок целей и помех.

При наличии пассивных нестационарных помех, интенсивность которых может изменяться от обзора к обзору, формирование адаптив­ ного порога для стабилиза­ ции уровня ложных тревог может обеспечиваться с помощью кадрового запо­ минающего устройства.

Комбинированная схема междупериодной и между­ обзорной компенсации помех с адаптивным порогом обнаружения

представлена на рис.3.11.

Схема содержит: блок междупериодной компенсации БМК, кадро­ вое запоминающее устройство КЗУ, кадровое вычитающее устройство КВУ, цифровой накопитель ЦН, цифровой компаратор ЦК, блок фор­ мирования адаптивного порога БФАП.

Сигналы движущихся целей и нескомпенсированные остатки вы­ читания помех с выхода блока междупериодной обработки поступают в КЗУ и в блоке формирования адаптивного порога используются для определения переменного порога обнаружения в каждом цикле обзора. При этом значение порога определяется как средний уровень помехово­ го фона в каждой строке КЗУ в соответствии с алгоритмом

60