книги из ГПНТБ / Губин, В. А. Пространственно-временная обработка радиолокационных сигналов (конспект лекций)

20

Рис.2 .3 . Линии равных фаз когерентных сигналов точечной цели

по фазе не более чем на зс . Их можно суммировать без коррек­ ции фазы (как в синфазной антенне), а при обработке по видео­ частоте можно складывать импульсы с одинаковыми весами. Так именно и накапливаются сигналы, соответствующие первой (ближай­ шей к РЛС) зоне в системах с несфокусированными синтезированны­ ми антеннами.

Перемещение РЛС из одной зоны в другую связано с переходом фазы сигнала в соседний квадрант или с изменением полярности импульсов.

§ 2 . 2 . ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА КОГЕРЕНТНОЙ РЛС

Функциональная схема станции с синтезированной антенной является типовой для импульсных когерентных РЛС. Как известно,

такие РЛС бывают двух видов г с задающим генератором и с коге­ рентным гетеродином. Эти элементы служат источником опорного напряжения для фазовых детекторов в промежутках между зондирую­ щими импульсами, когда происходит прием отраженных сигналов.

В первом случае (рис. 2 Л ) задающий генератор создает высо-

костабильйЪе непрерывное колебание, которое подается на фазовые детекторы приемника и на импульсный генератор передатчика.

22

С помощью модулятора из этих непрерывных колебаний выделяются короткие импульсы, которые усиливаются мощным выходным каска­ дом передатчика и поступают в антенну. В результате этого опор­ ное напряжение фазового детектора и излучаемые импульсы оказы­ ваются когерентными.

По прекращении зондирующего колебания напряжение задающего

генератора сохраняет неизменную начальную фазу, что и позволя­ ет использовать его в качестве опорного напряжения фазового детектора.

Подобные системы отличаются высокой стабильностью фазы,

что необходимо для когерентного накопления большого числа им­

пульсов и получения высокой разрешающей способности. Некоторые

неудобства ее применения связаны с тем , что в качестве мощного источника зондирующих колебаний должны применяться электрова­ куумные приборы типа усилителей мощности. Такие приборы обыч­

ратор зондирующих импульсов, который работает в режиме самовоз­ буждения с произвольной начальной фазой. Типичным таким генера­ тором является импульсный магнетрон. Опорное напряжение, кото­ рое должно быть когерентно с этими импульсами, формируется с

в работу в момент начала зондирующего импульса и по его оконча­ нии продолжает генерировать колебание с неизменной начальной фазой. Эти колебания являются как бы продолжением зондирующего импульса во время приема отраженных сигналов.

Достоинством РЛС с когерентным гетеродином является возмож­

ность применения мощных малогабаритных генераторов зондирующих

импульсов (магнетронов). Однако стабильность фазовых соотно­

шений в этих системах несколько ниже, чем в РЛС с задающим гене­ ратором.

Схемы, представленные на рис.2 .4 и 2 . 5 , весьма упрощены,

так как предполагают применение приемников прямого усиления.

В действительности.в когерентных РЛС, как и в РЛС других типов,

используются супергетеродинные приемники и фазовое детектирова­ ние сигналов производится по промежуточной частоте.

Рассмотрим кратко элементы'когерентных РЛС, связанные с преобразованием частоты.

23

В качестве источника задающих колебаний в схеме ри с.2 . k

часто применяют кварцевые генераторы; специальными мерами, в

частности термостатированием, повышается стабильность часто­

ты колебаний.

Принимаемый сигнал и опорное напряжение имеют случайные,

но одинаковые по величине фазовые сдвиги, поскольку местный гетеродин и генератор передатчика работают независимо. На вы­ ходное напряжение фазового детектора не влияют одинаковые фа­ зовые сдвиги сравниваемых напряжений. Оно определяется лишь разностью фаз между этими напряжениями, являющейся регулярной функцией расстояния до цели.

Однако местный гетеродин' когерентной РЛС должен быть высо­ костабильным. Уход фазы его колебаний за время распространения сигнала до цели и обратно влияет на выходное напряжение фазо­ вого детектора.

Особенности рассмотренных выше функциональных схем РСА и их элементов характерны для когерентных РЛС различного назна­ чения, в частности для радиолокационных систем с селекцией движущихся целей.

Р и с .2 .6 . Схема преобразования частоты в когерентной РЛС с зада­ ющим генератором

Генераторы работают на сравнительно низких частотах, изме­ ряемых десятками и сотнями килогерц. Колебания высокой частоты формируются последовательной цепочкой умножителей ч&стоты

(р и с .2 . 6 ) . В процессе умножения получают сначала напряжение с

24

усилителя мощности передатчика, может работать от автономного

генератора, определяющего частоту посылок. Однако, чтобы зон­ дирующие сигналы следовали с высоко стабильным периодом, их синхронизируют от общего задающего генератора. Если частота его колебаний больше требуемого значения частоты посылок, в

канале синхронизации модулятора включают делители частоты , как показано на схеме р и с .2 .6 .

Таким образом, источником различных по частоте колебаний в

рассматриваемой схеме является общий задающий генератор, и

между этими колебаниями устанавливаются жесткие фазовые соотно­ шения.

При использовании супергетеродинного приемника в схеме рис.2 .5 когерентный гетеродин работает на промежуточной частоте

и управляется колебаниями передатчика, преобразованными по час­ тоте в специальном смесителе (р и с .2 . 7 ) . Местный гетеродин в приемном тракте и тракте формирования опорного напряжения обя­ зательно должен быть общим. В этом случае его фаза не влияет на выходной эффект фазового детектора.

Рис .2 .7 Схема преобразования частоты в РЛС с когерентным гет е ­ родином

Перейдем теперь к описанию наиболее специфического элемента

функциональной схемы РЛС, а именно к системе обработки радио­ локационных сигналов.

25

§ 2 . 3 . ОПТИМАЛЬНАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В РСА

Оптимальный прием на фоне флюктуационных помех заключается,

как известно, в выполнении операций над принимаемым сигналом u ( t ) , соответствующих выражению

т

рый должен быть принят от заданной точки земной поверхности за

идентичны. Однако они принципиально отличаются по способам реа­ лизации.

жения. Он представляет собой расчетный сигнал одиночной точечной цели, находящейся в данной точке зоны обзора. Напряжение апри­ орного сигнала и сигнал приемника перемножаются и интегрируют­

26

обзора и для каждого из них должен быть сформирован свой ап­

риорный сигнал.

Ри с.2 .8 . Схема обзора

Всоответствии с порядком выполнения этих операций для раз­

ных разрешаемых элементов различают два способа обработки: по­ следовательный и параллельный.

a (t-t)

u(t)

Р и с .2 .9 . Корреляционная схема обработки сигнала

В первом случае принимаемый сигнал фиксируется в некотором запоминающем устройстве (например, путем магнитной записи). За­

27

последовательно для формирования всех точек радиолокационного изображения.

Недостаток последовательного способа очевиден - для полу­ чения радиолокационного изображения, формируемого по одной точке, требуется большое время.

Параллельный способ состоит в применении множества одно­ типных схем обработки, на которые параллельно подается один

и тот же сигнал. Априорные сигналы, поступающие на эти схемы,

отличаются : каждый из них соответствует своему разрешаемому элементу.

В такой системе изображение может быть сформировано прак­ тически мгновенно, в темпе поступления сигналов. Однако тре­ буемое число каналов обработки колоссально - оно равно числу разрешаемых элементов зоны обзора, ометаемых антенным лучом за время накопления Т . Поскольку реализовать систему со столь

большим числом каналов практически невозможно, обычно применя­ ют системы комбинированного типа; число каналов берется равным числу разрешаемых элементов по дальности. В каждом из каналов

устройство памяти позволяет формировать изображение от точки

к точке. Такой принцип многоканальности по разрешаемым элемен­

ипорядке выполнения им различных операций.

Свыхода приемника на фильтр поступает сигнал u ( t ) как функция времени. Участок этого сигнала длительностью, соответ­

28

В некоторый момент времени, после того как сигнал полно­ стью "войдет" в фильтр, все его гармонические составляющие,

скорректированные по амплитуде и зременвым сдвигам, складыва­ ются в фазе,и на выходе фильтра появляется короткий всплеск напряжения - сжатый сигнал.

Рис.2 .1 0 . Оптимальный согласованный фильтр для РЛС со сфокуси­ рованной антенной

Трансформация сигнала РСА в спектр основывается на измене­

нии частоты импульсов от периода к периоду. Использующий это свойство сигнала фильтр может быть построен с помощью последо­ вательно включенных линий задержки и цепочек, корректирующих

фазу сигналов ( р и с .2 .1 0 ). Количество включенных последователь­

но линий на единицу меньше числа суммируемых образцов сигнала

(п) , Линии задерживают сигналы с выхода приемника точно на период следования. В некоторый момент времени все п импульсов

данной цели появляются на отводах линии одновременно. Включен­ ные в отводах корректирующие цепочки сообщают им фазовые сдви­

ги , которые компенсируют фазовые задержки ( 2 . 2 ) , обуслов­

ленные изменением расстояния. В этот момент выходное напряже­ ние фильтра имеет максимальное значение. Сигналы других целей суммируются с произвольными фазами,и обусловленный ими выходной эффект оказывается незначительным.

Априорный сигнал цели a ( t ) и требуемая частотная характери­ стика фильтра k ( f ) зависят от расстояния. Поэтому корректирую­ щие цепочки фильтра нужно перестраивать по мере прохождения сигналов с разных дальностей. Эта операция соответствует изме­

нению фокусировки синтезированной антенны на разноудаленные цели.

Как и в случае корреляционного приема, можно использовать

29

многоканальную систему фильтров. Каждый из них имеет фиксиро­ ванную настройку для данного элемента дальности. В процессе перемещения РЛС выходное напряжение фильтра изменяется в соот­ ветствии с изменением отражающих свойств местности вдоль дан­ ного элемента дальности. Этот сжатый сигнал используется для вычерчивания элементарной строки вдоль вторичной пленки. Сово­ купность таких строк образует полную картину радиолокационного изображения.

С у м м и р у ю щ а я цепь

Р и с.2 . I I . Неоптимальный согласованный фильтр для РСА с несфоку­ сированной антенной

Однако реализовать оптимальный фильтр с линиями задержки

практически невозможно - требуется чрезмерно большое число ли­

ний, обеспечивающих задержку с точностью до фазы сигнала. Ра­ ботающий по такому же принципу неоптимальный фильтр, суммирую­ щий сигналы в пределах только одной зоны Френеля, имеет мень­

быть строго одинаковы и погрешность суммарной задержки не долж­ на превышать доли периода высокочастотного заполнения обрабаты­ ваемых сигналов. Лишь в том слу­