3.4. Принципы автоматического обнаружения воздушных объектов

Устройства, осуществляющие автоматическое обнаружение воздушного объекта, относятся к классу решающих устройств, которые в результате обработки сигнала приемного тракта выдают решение «есть цель» или «нет цели». Когда на выходе приемного тракта наблюдается смесь «сигнал + шум», то должно приниматься решение «есть цель»; в случае чистого шума – решение «нет цели». Таким образом, устройство должно обладать способностью различать чистый шум и смесь.

Алгоритм работы обнаружителей базируется на различных критериях. При использовании весового критерия осуществляется задержка импульсов пачки отраженного сигнала на время, кратное периоду повторения с последующим их суммированием в соответствии с весовыми коэффициентами q_i, отражающими форму диаграммы направленности антенны. Аналитически алгоритм определяется следующим образом

, (3.3)

где т – число зондирований;

х_i – значения, равные 0 или 1 (i = 1, …, т);

с – порог обнаружения.

Весовой метод обнаружения не нашел широкого применения в силу сложности реализации.

Если принять q_i = 1 (пачка прямоугольная), то обнаружение сводится к подсчету числа «1» на т смежных позициях и сравнении полученной суммы с порогом

.

Этот алгоритм положен в основу безвесового или критерийного метода обнаружения. Особенностью метода является необходимость двухпороговой процедуры обнаружения: обнаружение отдельных импульсов пачки и обнаружение пачки. Для разделения сигнала и помехи используют различия по амплитуде, длительности и протяженности по азимуту. Вначале отфильтровываются сигналы, амплитуды которых меньше порога обнаружения, затем сигналы, не удовлетворяющие критерию по длительности импульсов и наконец сигналы, которые не имеют приемлемой протяженности пачки по азимуту.

Процесс автоматического обнаружения начинается с преобразования аналогового сигнала с выхода приемника, как было отмечено выше, в бинарно-квантованные сигналы. Суть бинарного квантования состоит в следующем. Сигнал u(t) с выхода приемника (или детектора) подается на пороговое устройство. В момент, когда сигнал превысит установленный порог u₀, генерируется стандартный импульс («единица»), длительность, величина и форма которого каждый раз одинаковы (рис. 3.2)

Таким образом, при бинарном квантовании решение представляется функцией Z, которая принимает значение 0 или 1:

В результате бинарного квантования осуществляется преобразование сигнала в цифровую форму, что дает возможность впоследствии осуществлять обработку информации на цифровых ЭВМ.

Влияние помех в процессе бинарного квантования проявляется в том, что могут появляться ложные единицы («ложные тревоги») или ложные нули («пропуск цели»). Поэтому величина порога U₀ устанавливается исходя из условий оптимальности, как это было указано ранее.

Как правило, радиолокационные станции работают таким образом, что в процессе обзора пространства каждый объект облучается многократно, поэтому сигнал от объекта представляется не одним отраженным импульсом, а пачкой импульсов. Обнаружение объекта по пачке дает лучшие результаты, так как для выработки решения используется значительно больший объем информации, нежели в случае одиночного сигнала. Действительно, многократное появление импульса на одном и том же участке развертки существенно повышает уверенность в том, что объект есть. Вместе с тем, вероятность события, что каждый раз на одном и том же месте будет возникать ложный импульс, мала и, причем, тем меньше, чем более длительна эта последовательность.

Пачка квантованных сигналов представляется азимутальной последовательностью стандартных импульсов, а в цифровой форме – азимутальной последовательностью нулей и единиц (рис.3.3). Величина N_П называется шириной пачки: она равна числу позиций, на которых имеются единицы, при условии, что шум отсутствует. Ширина пачки существенно меняется в зависимости от мощности принимаемого сигнала и уровня ограничения U₀.

Часто для принятия решения используют не всю пачку, а только часть из м позиций, так что т<<N_П. Это является алгоритмом оптимального обнаружения по методу «k из м». Процедура обнаружения методом «k из м» сводится к подсчету числа единиц на м рядом расположенных позициях, и если число единиц будет больше некоторого установленного числа k (или хотя бы ровно k), то выдается решение «есть цель».

Алгоритм достаточно просто реализуется в технике. Возможная функциональная схема решающего устройства для м = 3 представлена на рис. 3.3. Оно действует следующим образом. С квантизатора сигналы «ноль» и «единица» поступают на линии задержки ЛЗ, каждая из которых задерживает их ровно на период повторения импульсов РЛС Т_П. Далее сигналы суммируются на сопротивлении R и результирующее напряжение подается на пороговое устройство. Порог при помощи регулировок устанавливается такой величины, чтобы при поступлении на сопротивление одновременно k или более импульсов («единиц») устройство срабатывало и выдавало решение «есть цель».

Структура обнаружителей бинарно-квантованных сигналов может быть реализована следующим образом (рис. 3.4)

Порог U₀ выбирается из условия обеспечения заданной вероятности ложной тревоги. При этом пороговое устройство реализует первый (амплитудный) критерий автоматического обнаружения. Критерий по азимутальной протяженности пачки отраженного сигнала проверяется в цифровом компараторе. Для этого на один из входов компаратора подается код порога принятия решения U_n, который формируется следующим образом. Число импульсов в ожидаемой пачке отраженного сигнала равно

,

где F_n – частота повторения импульсов запуска РЛС;

_ – ширина диаграммы направленности антенны РЛС;

6^о – поправочный множитель;

V_вр – скорость вращения антенны РЛС.

Уровень порога U_n устанавливается следующим образом

.

Таким образом, при выполнении обоих критериев принимается решение об обнаружении.

Критерийный обнаружитель может быть выполнен в соответствии со схемой, изображенной на рис. 3.5.

С помощью этой схемы реализуется критерий «k из 6» (k/6). В процессе обнаружения на вход устройства подаются сигналы со стабилизатора уровня ложных тревог. Эта информация за пять последовательных периодов следования импульсов запуска запоминается в оперативном запоминающем устройстве ОЗУ1 и вместе с сигналами текущего периода поступает на вход сумматора SM1. Сумматор подсчитывает количество импульсов обнаружения в шести последовательных периодах зондирования для каждого дискрета дальности. Далее двоичный трехразрядный код суммы поступает на схему критерийной обработки, где сравнивается с двоичным трехразрядным кодом критерия обнаружения. При выполнении критерия формируется сигнал обнаружения.

При бинарном квантовании весовая функция обнаружения в интервале, соответствующем ширине диаграммы направленности РЛС будет тождественно равна единице, накопление в этом интервале становится равновесным, а алгоритм (3.3) сводится к счету единиц и сравнению результата с цифровым порогом. Из-за отсутствия весового суммирования возникают дополнительные потери порядка 1,5 дБ, однако техническая реализация алгоритма обнаружения значительно упрощается.

Следует отметить, что в РЛС указанную процедуру необходимо осуществлять в каждом дальномерном канале. Такой канал называют обнаружителем движущегося окна, поскольку обработка осуществляется синхронно с перемещением луча по азимуту, а размер движущегося окна соответствует ширине диаграммы направленности антенны в азимутальной плоскости.

Рис.3.6. Обнаружитель типа движущего окна

Обнаружитель может быть реализован на базе счетчиков (рис. 3.6). Одноразрядный АЦП (квантизатор) осуществляет дискретизацию и квантование выходных сигналов амплитудного детектора. Последовательность нулей и единиц через ключ соответствующего канала дальности поступает на сдвигающий регистр и суммирующий вход реверсивного счетчика. Число разрядов сдвигающего регистра выбирается равным числу импульсов в пачке. С каждым очередным зондированием осуществляется сдвиг содержимого регистра на один разряд вправо. При этом из последнего разряда регистра выталкивается 0 или 1. Поступая на вычитающий вход реверсивного счетчика, они соответственно либо не изменяют его состояние, либо уменьшают значение имеющегося в счетчике числа на единицу. Число, записанное в счетчике, сравнивается далее с цифровым порогом (с числом к), и в зависимости от результата сравнения на выходе обнаружителя появляется единица или нуль.

Если вероятности обнаружения и ложной тревоги на всех позициях пачки принять одинаковыми и равными соответственно Р_обн1 (Д) и Р_лт1(F), то вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги в обнаружителе движущегося окна при известном угловом положении цели определяются по формулам:

; (3.4) ; (3.5)

где C^j_M = M!/[j!(M-j)!] -число сочетаний из М по j.

Формулы (3.4), (3.5) позволяют оценивать эффективность цифрового накопителя, а также определять требуемый порог квантования, обеспечивающий заданную вероятность ложной тревоги. При заданных k, М и Р_лт из соотношения (3.5) определяется Р_лт1, а значение порога квантования рассчитывается по формуле

U_пор=[2lg(1/P_лт1)]^1/2σ_ш

Рис.3.7. Зависимость потерь при цифровом накоплении от числа импульсов в пачке

Для каждого М существует оптимальное значение k_опт ≈ 1,5√М, при котором потери минимальны. Потери при накоплении бинарноквантованных сигналов по сравнению с аналоговым некогерентным накоплением невелики (рис.3.7) и составляют порядка 2 дБ.

Таким образом, в РЛС указанную процедуру обработки необходимо осуществлять в каждом дальномерном канале. Такой канал называют обнаружителем движущегося окна, поскольку в нем обработка осуществляется синхронно с перемещением луча по азимуту, а размер движущегося окна соответствует ширине диаграммы направленности антенны в азимутальной плоскости.

Логический обнаружитель k из М. Обнаружитель, который по своей эффективности эквивалентен обнаружителю движущегося окна, может быть выполнен на основе логических схем (рис.3.8). Принцип его действия основан на том, что решение об обнаружении или необнаружении пачки принимается на основе анализа содержимого регистра логической схемой. Число разрядов регистра равно числу импульсов в пачке - М, т. е. анализу подвергается последовательность нулей и единиц в пределах ширины диаграммы направленности антенны РЛС.

Рис.3.8. Логический обнаружитель k из М

Конкретный вид логической схемы может быть синтезирован методами булевой алгебры с учетом обеспечения заданных вероятностей правильного обнаружения Д и ложной тревоги F. Последние зависят от того, по какому количеству комбинаций нулей и единиц в регистре (из общего количества, равного 2^М) примается решение об обнаружении пачки. Очевидно, чем больше таких комбинаций, тем больше вероятность правильного обнаружения, но больше и вероятность ложной тревоги.

Алгоритмы автоматического обнаружения и измерения координат воздушных объектов предполагают обязательное разбиение зоны обзора на отдельные дискреты по дальности и азимуту (рис.3.9).

Размер дискрет выбирается из следующих соображений. Минимальный размер дискрета по дальности h_Д ограничен величиной разрешающей способности по дальности. Максимальный размер дискрета по дальности ограничен ошибками измерения дальности, которая составляет 1/2 .

Размер дискрета по азимуту определяется ошибками измерения координаты азимута. Обычно в РЛС эти дискреты задаются масштабными азимутальными импульсами (МАИ), число которых за обзор равно 4096.

С введением временного квантования зона обнаружения РЛС разбивается на элементарные участки размером:

Общее количество таких участков:

,

где С - скорость света; D_МАХ - максимальная дальность обнаружения РЛС.

При вращении антенны с периодом Т_О и одновременной посылкой зондирующих импульсов с периодом Т_П зона обнаружения РЛС разбивается на элементарные участки по азимуту, угловой размер которых определяется выражением:

Общее количество таких участков составляет

Следовательно, при временном квантовании общее количество элементарных ячеек, на которые разбивается вся зона обзора РЛС, составляет:

(3.6)

Аналоговый обнаружитель отраженных сигналов может быть реализован в соответствии со схемой, изображенной на рис.3.10.

Входное пороговое устройство обеспечивает нормировку входного сигнала. Порог U₀ выбирается в соответствии с заданной величиной вероятности ложной тревоги. Линия задержки многоотводная. Время задержки между отводами соответствует периоду повторения импульсов запуска. При наличии импульсов отраженного сигнала в соответствующих периодах зондирования и при повышении их суммы установленного порога обнаружения u_n, принимается решение об обнаружении.