Литература / М.И.Финкельштейн Основы радиолокации

возрастании яркости при числе возбуждений свыше 50. Кроме того, повторные возбуждения происходят в смещен­ ных точках экрана.

Иногда считают, что поскольку индикатор с послесвече­ нием является накопителем, то использование перед ним специального накопителя (например, рециркулятора) мало­ эффективно и надобность в специальном накопителе сохра­ няется лишь при инструментальном съеме данных. Дейст­ вительно, включение второго накопителя (особенно при не­ когерентном накоплении) не увеличивает заметно отноше-

тельность приемника и дальность действия. Однако накопи­ тель вместе с пороговым устройством сильно увеличивает контрастность изображения, так как повышение отноше­ ния сигнал-шум до индикатора позволяет в значительной степени устранить шумовые отметки на экране. Это облег­ чает работу оператора и уменьшает ошибки. Кроме того, накопитель является хорошим средством борьбы с несинхрон­ ными импульсными помехами, вызванными, например, дей­ ствием других РЛС, у которых частота повторения отлича­ ется от данной. Об этом непосредственно свидетельствует форма АЧХ накопителя (рис. 5.4, в).

2. Коммутируемые гребенчатые фильтры. Простейшим накопителем является интегратор, например интегрирующая цепь 7?С, подключенная через селектор дальности после СФ одиночных импульсов. Селекция обычно осуществляется во время действия импульса в момент времени, соответст­ вующий определенной дальности до цели (рис. 5.10). В за­ висимости от того, что наблюдается на этой дальности, толь­ ко шум или полезный сигнал плюс шум, конденсатор за­ ряжается выше или ниже порогового значения. При этом имеет место видеочастотный вариант корреляционно-фильт­ ровой обработки, рассмотренной в § 4.3.

В случае только одного канала (рис. 5.10) поиск цели мо­ жет осуществляться путем медленного перемещения по дальности стробирующего импульса, отпирающего селектор

280

дальности. Если время запаздывания цели и стробирующего импульса совпадает, на интегрирующую цепь поступает ряд импульсов полезного сигнала и шумов, после чего сра­ батывает пороговое устройство. Такой поиск требует значи­ тельного времени и связан с нерациональным расходова­ нием энергии сигнала. Поэтому целесообразно использо­ вать целую систему селекторов дальности, перекрывающих весь диапазон дальности. Каждый имеет интегрирующую цепь RC, а напряжение снимается коммутатором синхрон­ но с разверткой дальности.

Рис. 5.11. Накопитель с коммутацией конденсаторов

Однако систему, включающую множество цепей RC и коммутатор, можно построить рациональнее. Если одновре­ менно коммутировать вход и выход с частотой повторения Fn, то надобность в селекторах дальности вообще отпадает, так как каждый конденсатор будет соответствовать опреде­ ленному участку дальности. Этот принцип иллюстрируется рис. 5.11, я, а на рис. 5.11, б показана электронная коммута­ ция с помощью сдвиговых импульсов. «Щетка» коммутатора на рис. 5.11, а вращается с частотой Fn, т. е. каждый импульс лачки в течение интервала ДТ с Тп синхронно заряжает один и тот же конденсатор. Точно так же действует система клю­ чей (/<л) под действием сдвиговых импульсов (рис. 5.11, б).

Для определения АЧХ такой параметрической системы paccMOfpHM импульсную характеристику одной ячейки на­ копителя (рис. 5.12, а). Если при замыкании ключа в мо­ мент t — 0 на вход цепи подать б-импульс, то реакция на выходе соответствует импульсной характеристике RC- фильтра, т. е. g± (/) = (\fRC) exp (— tSRC). К моменту размыкания ключа в момент t — &Т напряжение на кон­ денсаторе будет равно (1/7?С) ехр (— &T/RC) и будет ос­ таваться таким до следующего замыкания ключа в момент времени Тп (рис. 5.12, б). Как видно, импульсная характе­

281

ристика данного устройства

S ^r"e *С е” RC При

!г=0 °

<&тп+дт,

О при &Тп>г>£Тп + ДТ.

Рис. 5.12. Ячейка накопителя (а) и соответствующая импульсная характеристика (б)

Частотная характеристика

где P = Q—&T/RC'

Последний множитель (5.3.1) повторяет частотную ха­ рактеристику ПГФ (5.2.12) с периодом Fn ~ 1/Тп и коэффи­ циентом обратной связи р, а два первых характеризуют оги­ бающую

Заметим, что при (3 « 1 (т. е. ДТ </?С) числитель (5.3.2) близок к | sin л/ДТ), что соответствует Ктах (fe/ДТ) « О,

282

где k — 1,2,... Таким образом, в данном случае ПГФ сочета­ ется с преднакопительным фильтром (5.3.2), имеющим ши­ рину полосы пропускания примерно 1/Д7.

Аналогичная идея синхронного RС-накопителя реали­ зуется в потенциалрскопе, где электронный луч коммутиру­ ет микроскопические конденсаторы диэлектрической ми­ шени. К накопителям со статической памятью относится также магнитный барабан, время оборота которого выбира­ ется равным периоду повторения импульсов. Данные уст­ ройства, в отличие от накопителей на УЛЗ, не имеют жест­ кой связи между временем задержки и периодом повторе­ ния импульсов, но обладают ограниченной полосой про­ пускания частот и специфическими недостатками в виде, на­ пример, засорения соседних участков мишени и магнитного носителя, что снижает их динамический диапазон.

5.4. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ДИСКРЕТНЫЕ (ЦИФРОВЫЕ) ОБНАРУЖИТЕЛИ

1. Двоичное накопление. В связи с развитием цифровой техники и успехами микроминиатюризации элементов зна­ чительно возросло внимание к устройствам дискретной обра­ ботки радиолокационных сигналов. Этому способствуют ог­ раниченное число эффективно накапливаемых импульсов в аналоговых накопителях [см., например, (5.2.4)].

При дискретной обработке сигнал преобразуется из не­ прерывной (аналоговой) формы в дискретную путем разбие­ ния на дискретные значения как по амплитуде, так и по вре­ мени. Дискретизация по амплитуде сводится к разбиению сигнала на несколько уровней (квантование). Простейшее квантование — двоичное (бинарное). При превышении при­ нимаемым колебанием некоторого порогового уровня Uo (первый порог) ему приписывается уровень 1 и образуется стандартный импульс. В противном случае образуется 0. Далее производится счет стандартных импульсов. Если из числа ожидаемых импульсов число единиц достигает неко­ торого порогового значения kQ (второй порог), то принима­ ется решение о наличии цели.

Так как счет числа импульсов не имеет каких-либо тех­ нических ограничений, то в отличие от аналоговых накопи­ телей, кроме потерь, вызванных самим двоичным квантова­ нием, отсутствуют потери, связанные с ограниченным вре­ менем накопления и другими факторами.

Вместе с тем в дискретном накопителе отсутствует такое важное свойство накопителя с запаздывающей обратной

283

связью и других подобных устройств, как естественная многоканальность по дальности. Здесь дискретизация по вре­ мени должна быть связана с числом требуемых каналов даль­ ности.

На рис. 5.13, а изображена структурная схема двоично­ го накопителя, а на рис. 5.13, б показаны временные диаг­ раммы напряжения. После ограничителя снизу, при усло­ вии превышения порога (/0, вырабатываются стандартные

Рис. 5.13. Двоичное накопление

импульсы (1 при наличии такого импульса и 0 при отсут­ ствии). Далее в зависимости от своего временного положе­ ния единицы и нули «выбираются» определенным селекто­ ром дальности (т. е. тем, у которого положения стробирую­ щего и стандартного импульсов совпадают). Все селекторы охватывают некоторый диапазон дальностей, а интервал се­ лекции целесообразно взять соответствующим разрешаю­ щей способности по дальности. Подсчет числа единиц, по­ ступающих через период повторения импульсов РЛС в те­ чение длительности пачки, производится счетчиком для каж­ дой дальности. Если за N периодов счетчик даст число

(5.4.1)

i= 1

где Xi — J, то вырабатывается импульс цели (метод «k из

У»).

Алгоритм обработки (5.4.1) можно называть безвесовым. Он является оптимальным для пачки импульсов с прямо­

284

угольной огибающей. Для непрямоугольной пачки согласно формуле (4.3.12) следует произвести весовое суммирование, которое сводится к алгоритму

диаграммой направленности (ДН) по мощности, а при ма­ лом отношении сигнал-шум квадратом ДН по мощности. Однако алгоритм (5.4.2), требующий программирования весовых коэффициентов t/f в пределах пачки, связан на практике с определенными трудностями. Поэтому часто оп­ тимальную весовую обработку предпочитают квазиоптимальной безвесовой. Если проигрыш в пороговом сигнале двоичного весового накопления по сравнению с весовым аналоговым составляет 1 дБ, то при двоичном равновесном он

Важная особенность обнаружителя пачки двоично-кван­ тованных импульсов состоит в том, что у него, кроме порога обнаружения пачки kQ, имеется еще первый порог UQ об­ наружения отдельных импульсов. Как известно, функция распределения огибающей шума, имеющего гауссовский закон распределения, является рэлеевской, т. е.

ш (£/) = &-иг/2а^’ (5.4.3)

откуда вероятность превышения порога Uo шумом (при ли­ нейном детекторе)

Вероятность превышения порога Uo сигналом и шумом обозначим рсш. Для определения по вероятностям рш и Реш вероятностей F и D необходимо выбрать определенный критерий обнаружения. Для случая (5.4.1) по теореме Бер­ нулли совместная вероятность превышения порога k им-

285

пульсами и непревышения остальными N — k импульса­

ми пачки равна С^рсш (1—Pcm)N~kt где См— число сочетаний из N по k. Так как пачка обнаруживается при

Для каждого числа TV существует оптимальное пороговое значение 60опт, при котором достигается минимальное отношение сигнал-шум на входе накопителя. Действитель­ но, из (5.4.6) — (5.4.8) следует, что при неизменных значе­ ниях рт и рсш с ростом k0 уменьшаются как F, так и D. Чтобы сохранить D неизменной, надо увеличить рсш путем повышения порогового отношения сигнал-шум. Для сохра­ нения же прежнего значения F надо поднять значение рш понижением первого порога Uo, а чтобы это не увеличивало вероятность рсш, а следовательно, и D, надо снизить поро­ говое отношение сигнал-шум. Сначала с ростом порога kQ отношение сигнал-шум стремится к снижению, а затем оно возрастает, что указывает на то, что существует оптимальное значение kQoaTt соответствующее минимуму порогового от­ ношения сигнал-шум. Оптимальный порог kQ опт определяет­ ся формулой

1.5VN. (5.4.9)

Это соотношение сохраняется и при весовой обработке для независимо флуктуирующих импульсов при N = М05; для дружных флуктуаций и нефлуктуирующих импульсов

Отметим еще, что каждому пороговому значению kQ опт соответствует определенная вероятность превышения поро­

286

тим/что слабо зависящий от рш минимум порогового от ношения сигнал-шум имеет место при рш « 0,2).

Проигрыш в оптимальном случае по сравнению с иде­ альным некогерентным накопителем составляет лишь 2 дБ. Некоторое улучшение отношения сигнал-шум получается при квантовании по нескольким уровням. Для этого в каж­ дом канале дальности от амплитудного анализатора на счет-

Рис. 5.14. Дискретный накопитель с «движущимся окном»:

а — структурная схема, б — два ряда соседних ячеек дальности

чики подаются сигналы, соответствующие каждому уровню квантования. Достигаемое в этом случае небольшое сниже­ ние потерь (около 1 дБ) требует, однако, значительного ус­ ложнения аппаратуры.

2. Цифровой обнаружитель с «движущимся окном».

В РЛС кругового обзора радиолокационный сигнал в виде пачки импульсов формируется в N периодах зондирования. Так как оптимальной процедурой при любом построении си­ стемы межпериодной обработки является накопление в пре­ делах пачки, то для каждого элемента дальности требуется хранение всех отраженных импульсов, полученных при W зондированиях.

По мере перемещения луча антенны по азимуту храни­ мая информация должна обновляться. На рис. 5.14, а изоб­ ражена схема дискретного накопителя с движущимся ок­ ном при использовании сдвиговых регистров. Их общее чис­ ло определяется шириной движущегося окна W (числом им­ пульсов в пачке) и равно W — 1. Число ячеек в регистре

2§7

т = Тп1Т, где Т — период тактовых импульсов, который можно принять равным интервалу корреляции шума на вы­ ходе приемника или же интервалу разрешения по дальности. Так как требуемое число ячеек т достигает нескольких ты­ сяч, можно использовать матричное запоминание.

Если в первую ячейку верхнего сдвигового регистра за­ писывается единица, то она под действием тактовых импуль­ сов передается по этому регистру и через период повторения импульсов РЛС Тп попадает на вход второго регистра, а через период 2ГД — на вход третьего регистра и т. д. Таким образом, получаем устройство, эквивалентное многоотвод­ ной ЛЗ на время задержки (W — 1) Тп, т. е. идеальный на­ копитель группового действия (см. рис. 4.9, б).

На рис. 5.14, б показаны два ряда соседних ячеек даль­ ности из N — 1 регистров. Во время вращения луча антен­ ны РЛС кругового обзора импульсы цели в двоичном коде после каждого периода повторения сдвигаются на разряд, а на освободившееся место вводится новый импульс. Одно­ временно принятый импульс для самого раннего зондирова­ ния отбрасывается. Далее процесс происходит аналогично, и за Af периодов повторения информация регистров полно­ стью обновляется. Наиболее простой метод анализа информа­ ции в каждом элементе дальности движущегося окна — это суммирование всех двоичных единиц в пределах «окна» и сравнение в пороговом устройстве с заранее выбранным (вторым) порогом. Часто принимается k0 = N/2, см. (5.4.10), а также (5.4.9) для 15. В случае k k0 вырабатыва­ ется сигнал присутствия цели в данном элементе дальности, а при k < k0 — сигнал отсутствия цели.

На рис. 5.15 черные кружки означают прием сигнала с определенного направления (на соответствующей разверт­ ке дальности), а светлые — отсутствие сигнала. «Длина» движущегося окна N = 10. Изменение состояния регистров сдвига иллюстрируется таблицей. Развертка в направлении Рн является начальной, так как это первая развертка, при которой в,окне находится N/2 = 5 сигналов. Развертка в направлении Рк является конечной, так как это первая раз­ вертка (после начальной), при которой в окне находится меньше N/2 = 5 сигналов. Направление на Цель р0= (Рн + + Р«)/2.

Отметим, что обнаружитель с движущимся окном (так же, как последовательный обнаружитель) характеризуется рядом дискретных состояний, для которых условная веро­ ятность перехода из одного состояния 'в другое зависит от последнего состояния и не зависит от поведения системы до

288

нахождения в исходном состоянии. Это характерно для мар­ ковских случайных процессов.

Описанное устройство накопления с движущимся окном является хорошим средством борьбы с импульсными поме­ хами в виде несинхронных сигналов и некомпенсированных остатков пассивных помех после подавителя системы СДЦ. Это следует из того, что сигнал присутствия цели выраба­ тывается только при накоплении в счетном устройстве kQ— = NI2 или более сигналов цели. Импульс помехи, как бы

Рис. 5.15. Принцип действия цифрового обнаружителя с «движущим­ ся окном»

он ни был велик по амплитуде, не имеет достаточной протя­ женности по азимуту. Вероятность его регистрации как цели за время накопления W импульсов мала.

3. Обнаружение по совпадению (программные обнаружи­ тели). Рассмотренный выше квазиоптимальный алгоритм безвесовой обработки (5.4.1) не всегда используется, так как в реальных пачках количество импульсов N сильно зависит от флуктуаций ЭОП цели. Кроме того, в схеме рис. 5.14 требуется mW = (TJT}N триггеров или других запомина­ ющих ячеек, что составляет десятки или сотни тысяч.Поэто­ му на практике часто применяются упрощенные алгоритмы обнаружения, основанные на использовании пороговой схе­ мы совпадений. Для того чтобы импульсы, превысившие первый порог, были приняты за полезный сигнал, требует­ ся, чтобы в п ■< N периодах повторения Тп было зафикси­ ровано k п импульсов (критерий «k из п»). При этом вы­ полнение критерия обнаружения возможно не только с по­ мощью счетчика, но и с помощью Логических схем совпаде­ ния. Подобная схема для критерия «3 из 4» показана на рис. 5.16, а, а временные диаграммы на рис. 5.16, б.

289