Глава 8 методы тепловой (пассивной) радиолокации

8.1 Обнаружение сигналов в пассивной радиолокации

В пассивной радиолокации используются методы и средства определения местоположения объектов по их собственным (пассивным) радиоизлучениям. Пассивными естественными являются тепловые радиоизлучения, обусловленные электродинамическими процессами в веществе, из которого состоит физический объект, и радиоизлучения нетеплового происхождения, к которым относятся излучение столба ионизированных газов при запуске ракет, радиоизлучения при грозовых разрядах, ядерных взрывах и т.д. Все виды излучений носят характер случайных процессов, поэтому в пассивной радиолокации возникает задача обнаружения случайного шумоподобного сигнала на фоне помех.

Рассмотрим тепловое излучение применительно к идеальному излучателю - абсолютно черному телу. Спектральная плотность (Вт/(Гц М²)) излучения единицы поверхности при данной абсолютной температуре определяется в данном случае формулой Рэлея-Джинса: G_{a и} = 2кТ^К/₀ , где ₀ - длина волны, k - постоянная Больцмана. Отношение спектральной плотности g_{а И1} тела при данной температуре Т^к к спектральной плотности G_{a и} абсолютно черного тела при той же температуре характеризует излучательную способность . Эквивалентная температура объекта Т_э0 определяется произведением Т^к Если кажущаяся температура объекта Т_э0 отличается от кажущейся температуры фона (внешней среды), объект может быть обнаружен пассивной РЛС (тепловая локация).

Плотность вероятности теплового сигнала s_& (t) можно считать близкой к гауссовской. Средняя мощность такого сигнала определяется величиной ²_s=kT^K f , где f - полоса частот, пропускаемых приемником. Если в этой полосе действует внутренний шум приемника п (t), имеющий спектральную плотность N₀ = kT^K_ш, средняя мощность помехи ²_п = n_o f, где Т^к - шумовая температура приемника.

Оптимальный алгоритм обнаружения случайного сигнала s_c(t) на фоне аддитивной помехи n(t) сводится к вычислению отношения правдоподобия / l(r (t) ) и сравнению его с порогом i_о. Обозначим смесь сигнала и помехи, действующую на входе в течение интервала [0, Т ], через r(t):r (t) = s_c (t)+ n(t) (здесь - параметр обнаружения, принимающий одно из двух значений: 0 или 1). В соответствии с методикой для дискретных значений , взятых через интервал t = Т/т , получим следующее выражение для отношения правдоподобия:

где г ={r_l, r₂ ,..., r_m }.

Оптимальное решающее правило можно записать в виде

Для упрощения реализации обнаружителя вычисляем логарифм отношения правдоподобия. Переходя к пределу при Д? -> 0, получаем оптимальное правило обнаружения для непрерывного времени:

где

Оптимальный обнаружитель содержит устройство возведения в квадрат входной смеси, интегратор и пороговое устройство, показанные на схеме рис. 8.1. На выходе интегратора в момент времени Т образуется напряжение, пропорциональное энергии реализации, поэтому такой приемник называют энергетическим. При действии в смеси одного шума энергия реализации равна

Рис. 8.1. Схема оптимального обнаружителя

энергии шума Е_п. При наличии в смеси сигнала и шума к энергии Е_п добавляется энергия сигнала Е, Если применить компенсацию и выбрать порог z_п равным значению е_п, то при превышении порога фиксируется наличие в смеси сигнала. В противном случае принимается решение об отсутствии сигнала.

Приемник радиотеплового излучения (радиометр) может быть реализован на основе применения модуляционного метода, не требующего использования компенсационных устройств. Схема модуляционного приемника приведена на рис. 8.2. В основе схемы лежит принцип обычного приема, дополненного синхронным детектором. Опорный сигнал для синхронного детектора (СД) вырабатывается генератором модулирующего колебания (ГМК).

Рис. 8.2. Схема модуляционного приемника

Модулирующее колебание питает модулятор (М), который осуществляет амплитудную модуляцию сигналов, поступающих с выхода антенны. Благодаря размещению модулятора непосредственно после антенны внутренние шумы приемника не подвергаются искусственной модуляции, поэтому на выходе СД напряжение появляется лишь при действии сигнала на входе антенны. При этом детектор огибающей (ДО) выделяет напряжение с частотой модуляции _м. Модуляционный приемник значительно подавляет действие низкочастотных флуктуаций, вызываемых изменениями коэффициента усиления тракта. Вместе с тем чувствительность модуляционного приемника несколько ниже, чем корреляционного. Коэффициент потерь k , определяющий дальность действия радиолокации, при использовании модуляционного приемника примерно в два раза больше, чем при корреляционном приеме, что уменьшает дальность радиолокации.