книги из ГПНТБ / Ширман, Я. Д. Разрешение и сжатие сигналов

' Для сравнения дальности действия в узкополосном и широкополос­ ном режимах осуществлялась проводка самолетов, летевших по оп­ ределенному маршруту. В процессе проводки производились наблю­ дения на индикаторе с амплитудной отметкой при остановленной антен­ не и быстром переключении режимов. Из 27 таких проводок в 17 слу­ чаях дальность обнаружения в обоих режимах была одинаковой, в 9 случаях дальность обнаружения в широкополосном режиме уменьши­ лась, но не более чем на 5%, и только в одном случае более 5%. (Не­ большого снижения дальности — порядка единиц процентов — мож­ но было бы ожидать независимо от использования техники сжатия в связи с увеличением числа элементов разрешения.)

Рис. 1.7.11. Вид индикатора кругового обзора при переключении режимов за время оборота антенны.

Опыт локации реальных целей проиллюстрировал и подтвердил возможности существенного повышения разрешающей способности по дальности при заданной энергии радиоимпульсов за счет сжатия, практически без проигрыша в дальности действия. Косвенно была под­ тверждена тем самым возможность увеличения дальности действия без повышения пиковой мощности и ухудшения разрешающей способ­ ности по дальности*).

§ 1.7.5. ОПЫТЫ ПО РАЗРЕШЕНИЮ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕЛИ

Представляло интерес убедиться, что, используя технику сжатия, можно получить разрешающую способность по дальности, достаточ­ ную для разрешения элементов цели, определения радиальной протя­ женности последней, снятия радиолокационных «портретов» целей.

*) Прямое подтверждение было получено в 1959 г. за счет увеличения дли­ тельности импульсов до 100 мкс и пропорционального увеличения их скважности практически при неизменной средней (а не только пиковой) мощности. Даль­ ность действия была повышена в 2 раза при сохранении исходной разрешающей способности по времени запаздывания 6 мкс.

В развитие описанного в § 1.7.4 эксперимента, в 1959—1960 гг. была начата подготовка эксперимента по разрешению элементов целей, а сам эксперимент был проведен в 1963 г. В 1967 г. были опубликованы результаты аналогичного опыта, проведенного в США Бромлеем и Коллэном [98].

В нашей экспериментальной установке использовались ЛЧМ радио­ импульсы сантиметрового диапазона волн с девиацией частоты око­ ло 70 МГц длительностью 2 мкс. Сжатие импульсов производилось на промежуточной частоте в фильтре, который был выполнен в виде, срав-

Рис. 1.7.12. Закон изменения частоты в импульсной характеристике.

нительно компактного блока, содержавшего ламповую схему и коак­ сиальный кабель РК-19 длиной 400 м (вес блока составил около 14 кг). Как выяснилось впоследствии, подобные фильтры на коаксиальном кабеле, но с неравноотстоящими отводами, разрабатывались в США Мюллером и Гудвином [65].

Укорачивающий фильтр в нашем опыте имел импульсную характе­ ристику длительностью 2 мкс с частотной девиацией 72 МГц и ступен­ чатым изменением частоты от 78 до 6 МГц (рис. 1.7.12). Каждый эле­ мент импульсной характеристики получался при помощи исполь­ зования «контурного» съема (см. § 1.4.4 и 1.7.4). Упрощенная функци­ ональная схема укорачивающего фильтра приведена на рис. 1.7.13. При подаче на его вход короткого («дельта») импульса длительностью

Состыкованные импульсные отклики суммируются, образуя резуль­ тирующую импульсную характеристику, которая обеспечивает сжа­ тие зеркального или близкого к нему сигнала.

Однако при выбранных параметрах фильтра и сигнала в сжатом импульсе укладывался всего один период колебаний несущей частоты. Поэтому для выделения огибающей потребовалась квадратурная об­ работка (см. § 1.4.4). Фильтр имел два выхода: косинусный и синус­ ный. Для получения синусного выхода каждый элемент косинусной импульсной характеристики перед суммированием сдвигался по времени на 1/4 периода колебаний соответствующей частоты. Времен-

Рис. 1.7.13. Схема широкополосного ^фильтра сжатия со съемом иа контуры.

ные сдвиги и суммирование осуществлялись в специальном отрезке кабеля с отводами. Колебания с выхода косинусного и синусного ка­ налов подавались на квадратичные детекторы и далее на выходной сумматор. В силу периодичности моментов переключения импульс­ ной характеристики фильтра (1/6 мкс) в спектре сжатого ЛЧМ сигнала наблюдаются осцилляции, основной пик этого сигнала сопро­ вождается спутниками, имеющими теоретический уровень 16%, ко­ торые располагаются по обе стороны от пика с указанным выше интер­ валом. Специальной компенсации спутников не производилось (за ис­ ключением простейшей корректировки закона модуляции). Фильтр включался в тракт широкополосного приемного устройства с двойным преобразованием частоты. Передающее устройство было выполнено по однокаскадной схеме на ЛОВ типа М сантиметрового диапазона волн с выходной мощностью порядка 100 кВт. Для управления колеба­ ниями ЛОВ использовался модулятор со схемой коррекции вершины модулирующего импульса, обеспечивающий закон изменения частоты колебаний, близкий к линейному.

Индикаторное устройство было построено на элементах осцилло­ графа С1-11. Запуск развертки к моменту прихода отраженного сигна­ ла осуществлялся от схемы автосопровождения цели по дальности.

Реальная разрешающая способность по дальности оценивалась по сигналам от двух сдвинутых в радиальном направлении уголковых отражателей. Она составляла около 3—3,5 м по уровню 0,5 выходного импульса. На рис. 1.7.14 показан отраженный видеосигнал от само­ лета, летящего в направлении на экспериментальный макет. Видны разделяющиеся отражения от носовой и хвостовой частей самолета. По таким изображениям удавалось определять радиальную протя­ женность цели с точностью до единиц метров.

В работе Бромлея и Коллэна [98] зондирующие радиоимпульсы имели вдвое меньшую по сравнению с указанной длительность, но вдвое большую частотную девиа­ цию. Для сжатия радиоим­ пульсов использовался пря­ моугольный радиоволновод длиной I — 183 м. Фазоча­ стотная характеристика пос­ леднего определяется выра­

жением

где сокр = 2я/кр — критичес­

кая частота, откуда группо­

Рис. 1.7.14. Видеосигнал самолета (метки вое запаздывание дальности через 7,5 м).

изменяется от 1,56 до 2,61 мкс, т. е. на 1,05 мкс. В пределах 1,05 мкс импульсная характеристика волновода имеет частотную девиацию Д—

— Д=0,15 ГГц, что позволяет сжимать радиоимпульсы по уровню 0,64 до 1/0,15 « 6,7 нс. Зависимость Др (/) носит явно нелинейный харак­ тер. Групповое запаздывание на центральной частоте диапазона (Д + + Д)/2 = 2,725 ГГц, равное 1,95 мкс, более чем на 130 нс отличается от полусуммы задержек на средних частотах; это почти в 20 раз пре­ вышает временную разрешающую способность. Поэтому и закон мо­ дуляции частоты передатчика был выбран нелинейным. Для уменьше­ ния уровня боковых лепестков сигнала производилось выравнивание и скругление спектра принимаемых колебаний. Для скругления этот спектр параллельно пропускался через два практически недисперги­ рующих (увеличенного сечения), отличающихся по длине на А/, ра­ диоволновода; выходные колебания вычитались. Тем самым образо­ валось фильтрующее звено с амплитудно-частотной характеристикой cos ( n f A l /Ѵф), где ѵф — близкая к скорости света с фазовая скорость.

работы [98] получена разрешающая способность 1—1,5 м с подавлением

= fro-\-Afrt/xn, где А/г — частотная девиация, приходящаяся на дли­ тельность импульса (рис. 1.7.16). Преобразованное колебание имеет

Рис. 1.7.16. Пояснение изменения временного масштаба при корреляционно­ фильтровом приеме с 4M гетеродинированием:

девиацией А/пр = А /— Д/г. Хотя сжатый импульс имеет увеличенную

в т раз длительность, это не ведет к ухудшению разрешающей способ­ ности. Если принимается еще одни импульс с дополнительным запаз­ дыванием Дт, то при достаточной протяженности импульсной харак­ теристики фильтра образуется неискаженный сжатый импульс со сме­ щением At. Из выражения для /ир имеем Д/прД/ — Д/Дх = 0 или At = ~ Дт-т. Растяжение сжатого импульса является поэтому составной частью изменения масштаба времени. Разрешающей способности оно не ухудшает, что наблюдалось и экспериментально.

Недавно в США (г. Флойд и Маршальские острова) [158І опублико­ ваны материалы о пуске в эксплуатацию двух опытных РЛС, предназ­ наченных для наблюдения за космическими объектами с разрешаю­ щей способностью по дальности менее одного метра. Полосы частот (250—500) МГц, длительности импульса (10—40) мкс. Используется трансформация временного масштаба в 100 раз. Из-за большого значе­ ния т и ограниченной длительности импульсной характеристики фильтра одновременно просматривается всего 30 м дальности.

Г л ава 1.8

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ СЖАТИЯ РАДИОИМПУЛЬСОВ

Как было выяснено в гл. 1.7, эффективным средством получения импульсных характеристик большой длительности является использо­ вание временных задержек на у л ь т р а з в у к е . Достоинством акустических колебаний является значительно меньшая, чем у элек­ тромагнитных, скорость распространения. Акустические колебания в однородной изотропной упругой линейной среде без потерь подчиня­ ются волновому уравнению

ные плоские волны, обладающие различными скоростями распростра­ нения

сжатия и сдвига соответственно, которые зависят, в свою очередь, от модуля растяжения (модуля Юнга) Е и коэффициента Пуассона ст [78]

ную) волну, для которой rot S = 0. При V = аг оно описывает произ­ вольную соленоидальную (не обязательно поперечную) волну, для ко­ торой diV S = 0. Решение (1) в общем случае сводится к сумме без­ вихревой и еоленондальной волн, с чем встретимся в ходе дальней­ шего анализа фильтров сжатия.

Основываясь на работах [44, 52, 53, 74, 76, 80, 85, 94, ПО, 112, 120— 122, 124, 127, 155, 156], рассмотрим в § 1.8.1 акустические фильтры с дискретным съемом, а в § 1.8.2—с естественной дисперсией. Как разно­ видность фильтров с естественной дисперсией рассмотрим в § 1.8.3 маг­ нитоакустические фильтры сжатия, основанные на магнитоупругих волновых взаимодействиях [36, 64, 82, 83, 91, 92, 100, 101, 124, 126, 157]. Как разновидность фильтров с распределенным съемом в § 1.8.4 рассмотрим оптико-акустические фильтры сжатия [46, 64, 81, 102, 103, 124].

Переходя к неакустическим устройствам обработки, рассмотрим возможности задержки и сжатия радиоимпульсов совокупностью не­ взаимодействующих колебательных систем с переменными параметрами,

вчастности при использовании эффекта спинового эха [35, 64, 73, 124].

В§ 1.8.6 рассмотрим метод параллельной фильтрации, который позволяет, комбинируя фильтры произвольного вида, существенно повысить коэффициент сжатия [68, 99]. Основное внимание будет уделено фильтрам сжатия 4M радиоимпульсов, хотя материал § 1.8.1, 1.8.4, 1.8.5 может быть использован и при построении устройств об­ работки фазоманипулированных радиоимпульсов. Некоторые не рас­ смотренные вопросы можно найти в [133]й:).

§ 1.8.1. ФИЛЬТРЫ СЖАТИЯ С ДИСКРЕТНЫМ СЪЕМОМ НА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ НЕДИСПЕРГИРУЮЩИХ ЛИНИЯХ ЗАДЕРЖКИ

На рис. 1.8.3, а поясняется принцип построения фильтра сжатия

от общего преобразователя электрических колебаний в ультразвуко­

кадмия CdS). В отдельных случаях между пьезоэлектриком и звукопро­ водом помещается пленка, обеспечивающая согласование акустиче­ ских сопротивлений (например, из индия—между пьезокерамикой и со­

ДяЩего звукопровода для подвода электрических колебаний к пьезо­ элементам (или их съема) требуются проводящие электроды. На рис. 1.8.5 показаны такие электроды при нанесении пьезоэлектрической пленки из сульфида кадмия на звукопровод (например, из сапфира) для возбуждения продольных колебаний. Решетка может быть выпол­ нена путем создания прорезей или фотоспособом. В случае пьезоэлек­

я) б)

Рис. 1.8.3. Фильтры сжатия со ступенчатым (а) и клиновидным (б) звукопроводом с одной решеткой.

Рнс. 1.8.4. Фильтры сжатия со ступенчатым (а) и клиновидным (б) звукопрово­ дом с двумя решетками.

отпадает необходимость в добавочных пьезоэлектриках. Достаточ­ но нанести на основной звукопровод металлические слои, образующие электроды (возбуждающий и приемный), в частности совокупность электродов в виде решеток.

В отличие от фильтров рис. 1.8.3, а, 1.8.4, а элементы задержки фильтров рис. 1.8.3, б, 1.8.4, б не разделяются. В процессе распро­ странения ультразвуковых колебаний по звукопроводам рис. 1.8.3, б и 1.8.4, б могут поэтому проявляться некоторые детали явления дифрак­ ции, менее характерные для звукопроводов рис. 1.8.3, а и 1.8.4, а. По­ этому фильтры сжатия (рис. 1.8.3, б), а особенно фильтры рис. 1.8.4, б называют д и ф р а к ц и о н н ы м и .

Закон распределения элементов решетки (съемов) по поверхности клиновидного звукопровода можно тем не менее приближенно устано­ вить, исходя из распределения задержек th схемы (см. рис. 1.8.3, а)

іі используя формулы f(2), (3), (6), § 1.4.4]. Решая квадратное урав­ нение [(3), § 1.4.41 для (3 < 0, имеем

Тогда распределение съемов по гипотенузе сечения клина определя­ ется выражением

где V — соответствующая скорость распространения звуковых коле­ баний; й- — острый угол в сечении клина. Длина отрезка гипотенузы,

занятого съемамн, будет

Число съемов Q на отрезке А/ получим из (1), приравнивая т„ разность значений th при k — ± (Q — 1)/2. В результате най­ дем

Фильтры сжатия с клиновидными звукопроводамн обеспечивают высокую линейность закона модуляции частоты импульсных характе­ ристик, широкие полосы частот и большие коэффициенты сжатия. Так, согласно [94] на клиновидной линии из сапфира обеспечена частотная

В работе [110] описан клиновидный фильтр с коэффициентом сжатия 1200 (длительность импульсной характеристики составляет 34 мкс, полоса частот 34 МГц, центральная частота 100 МГц).

Недостатком фильтров [94, ПО] являются большие потери: 75 дБ для первого фильтра и 60 дБ для второго. Возможные пути уменьше­ ния потерь состоят: 1) в переходе к более тонким пленкам; 2) в исполь­ зовании пьезоэлектрических звукопроводов с повышенным коэффици­ ентом электромеханической связи (типа ниобата лития) и нанесении на них проводящих возбудителей и элементов съема.

Хотя в рассмотренных устройствах использованы о б ъ е м н ы е ультразвуковые волны, основные функции формирования импульсной