1.5 Меры защиты от помех, реализованные в приемной аппаратуре ионозондов

Схема антенной системы ионозонда позволяет использовать зондирующие колебания с круговой поляризацией, что ведет к улучшению наблюдаемости полезных сигналов на фоне шумов. К тому же такой вид поляризации позволяет осуществлять селекцию целей. Если зондирующий сигнал имеет круговую поляризацию, то волны, отраженные от реальной цели, вследствие ее несимметричности будут поляризованы эллиптически. А волна отраженная, к примеру, от дождя будет иметь круговую поляризацию. Однако направление вращения вектора электрического поля при отражении от дождя изменяется на противоположное. Для подавления мешающих отражений гидрометеоров (дождя, тумана, облаков) при радиолокационном наблюдении сосредоточенных объектов (например, самолетов) применяют круговую поляризацию.

Как известно, нестабильность частоты зондирующих колебаний приводит к флуктуациям результирующего отраженного сигнала. Но передатчик ионозонда имеет довольно низкий показатель нестабильности частоты , что позволяет расценивать этот факт как метод защиты от пассивных помех. В импульсных РЛС , оптимальная обработка данных наблюдения может быть разделена на внутрипериодную и междупериодную. Если рассматривать относительно сильно коррелированную помеху, то внутрипериодная обработка мало эффективна и основную роль играет междупериодная обработка, которая и реализована в ионозонде.

В приемной аппаратуре ионозонда реализованы следующие меры защиты от помех:

1) согласованная обработка;

2) когерентное накопление;

3) поиск частот с минимальным уровнем помех.

Рассмотрим каждую из вышеперечисленных мер помехозащиты более подробно.

1. Вместо традиционного импульса используются два фазоманипулированных комплиментарных кода вида (Рисунок 1.6):

Рисунок 1.6 - Фазоманипулированный комплиментарный код

С каждым сигналом, осуществляется согласованная обработка, после чего результаты обработки суммируются. Сумма автокорреляционных функций сигналов имеет вид треугольного  импульса (Рисунок 1.7):

Рисунок 1.7 - Сумма автокорреляционных функций сигналов.

Параметры комплиментарных кодов:

длительность одного элемента                     33.33 мкс;

количество элементов                                    16;

полная длительность сигнала                        533.33 мкс;

ширина  суммарной АКФ по уровню 0.5     33.33 мкс;

ожидаемый выигрыш в с/ш                            32 (15дБ)

Таким образом, за счет согласованной обработки исходный код длительностью 533.33 мкс сжимается в треугольный импульс длительностью 33.33 мкс, при этом отношение с/ш возрастает в 32 раза (на 15 дб). Кроме ожидаемого выигрыша в отношении с/ш использование столь сложных зондирующих сигналов имеет ряд особенностей. Во-первых, это сложность контроля излучаемого сигнала имеющимися отечественными радиоэлектронными средствами. Во-вторых, сложность обнаружения частоты, на которой происходит излучение сигнала. Как правило, иностранное техническое средство наблюдения и контроля, разрешенное для установки на территории Российской Федерации, должно функционировать строго в рамках отведенного ему диапазона. Использование сложных зондирующих сигналов значительно усложняет, а порой исключает, их обнаружение, т.к. такой сигнал по своим характеристикам близок к шумовой помехе. Все это значительно усложняет ведение контроля функционирования данных радиоэлектронных средств.

2. Идея когерентного накопления основана на том, что в течение некоторого интервала времени фазы сигналов, отраженных от ионосферы, меняются линейно по времени. В этом случае появляется возможность когерентного сложения сигналов q_n с компенсацией фазовых сдвигов, что повышает отношение с/ш пропорционально количеству суммируемых сигналов. Когерентное доплеровское интегрирование принимаемых сигналов осуществляется на основе дискретного преобразование Фурье:

Параметры Фурье преобразования:

число точек N                                          8, 16, 32, 64, 128;

минимальный шаг по времени                              0.01 с;

максимальный доплеровский диапазон              ± 50 Гц;

минимальное время интегрирования                  0.08 с;

максимальный шаг по времени                              0.32 с;

максимальное время интегрирования                   40.96 с;

максимальное доплеровское разрешение          0.024 Гц;

максимальный  ожидаемый выигрыш в с/ш   128 (21дБ)

Кроме выигрыша в отношении с/ш когерентное доплеровское интегрирование позволяет измерять доплеровский сдвиг частоты. Спектральный анализ - один из методов обработки сигналов, который позволяет охарактеризовать частотный состав измеряемого сигнала. Преобразование Фурье является математической основой, которая связывает временной или пространственный сигнал (или же некоторую модель этого сигнала) с его представлением в частотной области. Важную роль в спектральном анализе играют методы статистики, поскольку сигналы, как правило, имеют случайный характер или зашумлены при распространении или измерении. Существуют два способа представления сигнала - один из них основан на математическом представлении сигнала как функции времени x=f(t), где независимая переменная t - время, и второй в виде X=F(w), где независимая переменная w - частота. При преобразовании Фурье происходит преобразование из одной формы представления сигнала в другую [19]. Если сигнал имеет аналоговый вид - представляет собой непрерывную функцию, определенную на бесконечном промежутке времени, то преобразование Фурье производится по известным формулам. Преобразование Фурье может представить сигнал, изменяющийся во времени, в виде зависимости частоты и амплитуды, но оно даёт также информацию о фазе. Представление исходной функции комплексным преобразованием Фурье даёт ряд преимуществ при вычислениях. При определенных обстоятельствах применение преобразования Фурье избавляет от необходимости решения сложных дифференциальных уравнений. Что в свою очередь, снижает сложность разрабатываемой аппаратуры, тем самым, упрощая и ускоряя процесс ее производства и как результат – снижение совокупной стоимости изделия.

3. Для повышения отношения с/ш в ионозонде предусмотрена система поиска частот с минимальным уровнем помех. Перед зондированием ионозонд измеряет уровень помех, как на заказанной частоте, так и на соседних частотах с выбранным шагом. В итоге поиска для зондирования выбирается частота с минимальным уровнем помех. В частотной селекции используется различие несущих частот полезного сигнала и помех. Она реализуется путем перестройки высокочастотного тракта ионозонда.

Параметры поиска:

Количество шагов:   5

Шаг по частоте:       10,15, 20, 25 кГц.

Работа на частотах с минимальным уровнем помех, когерентное накопление, согласованная обработка и поляризационное согласование позволяют достичь чрезвычайно высокого соотношения с/ш при малой мощности излучения. Действительно, большинство ионозондов имеют относительно малую мощность в импульсе в сравнении с обычными радиолокационными станциями. Обычно значение мощности укладывается в диапазон от 20 до 900 ватт. Это делается для обеспечения большей энергонезависимости, снижения времени на развертывание средства, т.к. установка ионозонда планируется на территории иностранного государства.

Надлежащим выбором параметров зондирующего сигнала и характеристик приемника можно ослабить влияние пассивных помех, однако для более эффективной защиты от них во многих случаях следует использовать методы селекции полезного сигнала и, в частности, весьма эффективные доплеровские методы селекции движущейся цели (СДЦ). Доплеровские методы СДЦ основаны на различии доплеровских смещений частоты выделяемого полезного сигнала цели и пассивных помех, обусловленном отличием радиальных скоростей цели и мешающих отражателей. Для простоты считают мешающие отражатели неподвижными. Тогда лишь радиальная скорость цели определяет доплеровское смещение частоты сигнала относительно помехи:

,

где и - частота, и длина волны излучаемых РЛС колебаний.

Для выделения доплеровского смещения частота принимаемого сигнала сравнивается с частотой излучаемого. Периодические импульсные зондирующие сигналы обеспечивают высокую разрешающую способность и точность при измерении дальности. Эффективная селекция движущихся целей осуществляется в импульсных системах как при отсутствии внутриимпульсной модуляции несущей, так и при использовании частотной или фазокодовой модуляции несущей. Применение периодических сигналов в системах СДЦ приводит к появлению слепых скоростей, т.е. таких радиальных скоростей цели, при которых полезный сигнал цели подавляется системой, как и отражение от неподвижных объектов, в результате чего цель не может быть обнаружена. Для устранения слепых скоростей разработаны различные способы и, в частности, вобуляция (изменение) частоты повторения или работа на двух несущих частотах. Спектр импульсного сигнала, отраженного неподвижным объектом, совпадает со спектром зондирующего импульса. Спектр импульсного сигнала, отраженного от движущегося объекта, сжимается при удалении объекта или растягивается при его приближении, так как все частоты спектра импульса изменяются в раз. Это означает, что отраженные от движущейся цели импульсы имеют несущую частоту , частоту повторения и длительность . Для выделения сигналов движущейся цели можно использовать изменение любого из этих параметров [39]. Однако практически реализуемо только смещение центральной частоты, а точнее, изменение фазы высокочастотного заполнения импульсов за период повторения , так как из-за малости абсолютного изменения частоты повторения или длительность импульсов выявить их трудно.