книги из ГПНТБ / Вулконский Б.М. Основы теории радиолокационных устройств самонаведения ракет учебник

Результирующие искажения импульсов на выходе приемного устройства обусловлены искажениями в электрических цепях его элементов и проявляются в запаздывании выходного импульса от­ носительно входного и растягивании фронтов. Запаздывание создает систематическую ошибку в определении дальности до цели, растя­ гивание фронтов ухудшает точность и разрешающую способность системы АСД. Если известны искажения, вносимые отдельными элементами приемного устройства, то результирующие время за­ паздывания и установления (спада) фронтов в приемном устрой­ стве можно оценить по формулам:

есть определить допустимые искажения для отдельных элементов, если заданы допустимые результирующие искажения.

Анализ цриемного тракта, состоящего из преселектора, УПЧ и видеоусилителя, показывает [32, 31], что при подаче на его вход

Полоса пропускания /7пр определяется по уровню 0,707 обобщен­ ной амплитудно-частотной характеристики. Обобощенная АЧХ на­ ходится как произведение АЧХ отдельных элементов приемного устройства, приведенных к несущей частоте юо:

К упч (“ — <ог), Кву (в) — ю0)— приведенные АЧХ УПЧ и видеоусили­

теля.

Из сопоставления (7-257) и (7-249) видно, что полоса пропуска­ ния приемного устройства по-разному сказывается на его качест­ венных показателях. Расширение полосы, например, уменьшает ис­ кажения в приемном устройстве, но одновременно ухудшает его шу­ мовые свойства. В связи с этим для радиолокационных устройств дальнего обнаружения, и в частности для РГС, возникает задача

выбора оптимальной полосы пропускания приемного тракта. Крите­ рием оптимальности полосы является отношение сигнал/шум на вы­ ходе приемника, которое определяет чувствительность устройства

ив конечном счете дальность его действия. Искажения импульса

исвязанные с ними вопросы точности и разрешающей способности по дальности имеют для РГС второстепенное значение.

Если не учитывать изменений, которые вносит в отношение сиг­

нал/шум детектор, то формулы (7-247), (7-248) и (7-250) можно от­ нести к приемному устройству в делом. На основании этих формул можно записать

ность приемнЬго устройства есть функция полосы пропускания. Ис-

тельности, называется оптимальной полосой. При /7лр = (/7пр)опт на основании (7-249) максимальная чувствительность приемного уст­ ройства может быть записана в виде

Что касается искажений импульсов на выходе приемного устрой­ ства, то при сужении полосы до оптимальной они оказываются весь­ ма большими. Так как при /7пр= (Япр)опт— ту.пр = тсп-пр = хв , то выходной импульс не имеет плоской вершины, и его форма стано­ вится близкой к колокольной. По этой же причине длительность выходного импульса по нулевому уровню будет в два раза больше длительности входного.

На практике значение полосы пропускания приемного устройст­ ва берется несколько большим, чем оптимальное

приемного устройства по сравнению с максимально возможной.

351

Г л а в а 8

ЗАЩИТА ПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА ОТ ПОМЕХ

§ 42. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОМЕХ И МЕР ЗАЩИТЫ

Помехи работе РГС возникают в результате воздействия на вход приемника электромагнитной энергии от посторонних излуча­ телей или отражателей, расположенных в зоне действия РГС, либо в результате шумовых электрических процессов во входных цепях приемника. Поэтому помехи прежде всего следует делить на внеш­ ние и внутренние.

Внешние помехи могут иметь самое различное происхождение.

Кним относятся: отражения от водной поверхности, гидрометеоров

иместных предметов, сигналы станций помех, специально излучае­ мые противником для подавления работы РГС, сигналы других станций и в том числе своих РГС при залповом использовании ра­ кет.

Источником внутренних помех (шумов) являются элементы и детали электрической схемы приемника. Уровень внутренних помех зависит от внешних условий работы аппаратуры: температурных колебаний, давления, влажности, вибраций и т. п. Он может ме­ няться в значительных пределах, затрудняя выделение полезного

сигнала.

Внешние помехи принято делить на организованные и неоргани­ зованные. Организованные помехи создаются противником умыш­ ленно с целью подавления работы или дезориентации РГС. Неорга­ низованные возникают не преднамеренно, как следствие отражений от местных предметов или излучений посторонних станций.

Организованные и неорганизованные помехи, в свою очередь, делят на активные и пассивные.

К пассивным организованным помехам относят отражения от искусственных преград типа уголковых отражателей, дипольных за­ вес и т. п.

К организованным активным помехам относят излучения, созда­ ваемые специальными станциями помех, установленными на самих защищаемых объектах или в стороне от них. Активные организо­

352

ванные помехи весьма разнообразны как по своему виду, так и по характеру воздействия на аппаратуру РГС. В основу их классифи­ кации кладутся характерные радиотехнические параметры.

Различают узкополосные (прицельные) помехи и помехи широ­ кополосные (заградительные). При прицельных помехах мешаю­ щее излучение создается на частоте,.совпадающей с рабочей часто­ той РГС. Прицельные помехи могут отличаться по виду модуляции излучаемого сигнала.

Наиболее распространенными в настоящее время являются им­ пульсные несинхронные и синхронные (ответные) помехи и помехи с шумовой модуляцией. Широко используются и различные моди­ фикации этих видов помех. Например, синхронная импульсная по­ меха с нарастающим временем задержки и с амплитудной модуля­ цией частотой, близкой к частоте сканирования РГС, или помеха, модулированная по частоте шумами, с дополнительной низкочас­ тотной амплитудной модуляцией.

Заградительные помехи рассчитаны на заполнение всей рабочей полосы частот РГС. Основным методом создания заградительной помехи в настоящее время является широкополосная шумовая мо­ дуляция передатчика помех.

Неорганизованные помехи делят на активные и пассивные по характеру источника помех. К активным относят излучения энерге­ тических установок и станций на частотах,, совпадающих с рабочей частотой РГС, к пассивным — отражения от морской поверхности, гидрометеоров, местных предметов и т. п.

Способность РГС выделять полезную информацию о цели и пра­ вильно функционировать при наличии помех определяется ее поме­ хозащищенностью. Помехозащищенность складывается из комплек­ са организационных и технических мероприятий. Организационные меры должны быть направлены на повышение скрытности работы РГС с целью затруднения для противника разведки технических параметров аппаратуры. К ним относятся умелое использование ли­ теров рабочих частот, своевременное включение РГС на поиск и др.

Технические меры направлены на повышение помехоустойчи­ вости элементов и узлов аппаратуры РГС при ее конструировании. Наиболее ответственными узлами аппаратуры с точки зрения по­ мехоустойчивости являются антенное и приемное устройства. В меньшей ■ степени подвержена влиянию помех схема выделения сигналов коррекции. Помехоустойчивость антенного устройства определяется видом диаграммы направленности. Чем уже диа­ грамма и чем меньше уровень боковых и задних лепестков, тем выше помехоустойчивость антенного устройства и РГС в целом*). Помехоустойчивость приемного устройства зависит от полосы про­

мы на излучение повышает скрытность работы РГС.

помех.

Все технические меры защиты от помех можно разбить на две группы;

1) меры, препятствующие попаданию помех на вход приемного устройства;

2 ) меры защиты от помех, проникших в приемное устройство.

К первой группе относятся:

—пространственная селекция (сужение диаграммы направлен­ ности антенны и строба дальности, подавление боковых лепестков диаграммы);

—повышение мощности передатчика;

—поляризационная селекция.

Во вторую группу входят:

—селекция полезного сигнала, основанная на различиях в структуре сигнала и помехи;

—борьба с перегрузками приемного тракта при воздействии

помех.

Для радиолокационной аппаратуры, использующей обычные

принципы, возможности таких мер, как пространственная селекция и увеличение мощности передатчика, практически исчерпаны. По­ ляризационная селекция является весьма перспективной мерой [9], однако широкого применения она пока не нашла. Поэтому основ­ ными мерами защиты РГС от помех в настоящее время следует считать меры, входящие во вторую группу.

Селекция полезного сигнала в приемном устройстве РГС — это процесс выделения импульсных сигналов с определенными пара­ метрами из всей совокупности сигналов, действующих на входе приемника. Полезные сигналы и сигналы помех как функции вре­ мени всегда ограничены и могут быть представлены рядами Фурье:

Селекция полезного сигнала sc (t) относительно сигнала помехи s„ {t) возможна, если между составляющими рядов имеются от­ личия, то есть если сигнал помехи не является точной копией по­

лезного сигнала.

Когда Ы '.ф kwn, возможно отделение полезного сигнала от по­ мехи по частотам — частотная селекция. Когда £а>с=£шп, но со­ ставляющие рядов сдвинуты по фазе («р^с Ф <ркп)> возможна времен­

354

ная селекция. Когда Скс Ф СкП) &шс ф /ги>П) <ркс ф <ркп, возможна се­ лекция полезного сигнала по амплитуде и форме.

В РГС могут использоваться все три вида селекции. Однако наиболее эффективны частотная и временная селекция. Селекция по форме импульса менее эффективна. И практически совсем не эффективна амплитудная селекция, так как большой динамический диапазон изменения полезного сигнала и флуктуации его амплиту­ ды могут полностью стирать различия в амплитудных соотноше­ ниях между помехой и сигналом.

Борьба с перегрузками приемного устройства помехами пресле­ дует те же цели, что и борьба с перегрузками полезными сигнала­ ми большой мощности. В связи с этим и техническое решение зада­ чи остается тем же, то есть перегрузки устраняются за счет различ­ ных регулировок усиления приемника.

В настоящее время для борьбы с помехами широко исполь­ зуются: быстродействующая автоматическая регулировка по пико­ вому значению помехи (БАРУ), временная регулировка усиления по программе (ВАРУ) и автоматическая регулировка усиления по шумам (ШАРУ).

Специфика схем автоматической регулировки усиления, пред­ назначенных для борьбы с перегрузками приемника помехами, по сравнению со схемами АРУ, которые были рассмотрены выше, со­ стоит в том, что они должны работать только по помехам и не реа­ гировать на полезный сигнал.

§ 43. ЧАСТОТНАЯ СЕЛЕКЦИЯ

Частотная селекция, или фильтрация, основана на различиях в спектрах полезного сигнала и помехи. Задача фильтрации состоит в обеспечении наибольшего отношения сигнал/помеха на выходе фильтра путем полного или частичного подавления составляющих спектра помехи. Решение этой задачи сводится к отысканию ком­ плексного коэффициента передачи фильтра для заданных спектров сигнала и помехи, при котором на его выходе отношение пиковой мощности сигнала к среднеквадратическому значению помехи до­ стигает максимума. Фильтр с таким коэффициентом передачи на­ зывается оптимальным.

Понятно, что оптимальный фильтр возможен лишь для данного вида помехи и каждому виду помехи при данном сигнале соответ­ ствует свой оптимальный фильтр. Понятно также, что задача оты­ скания оптимального фильтра имеет смысл, когда спектры сигнала

ипомехи перекрываются. В противном случае ее решение очевидно

ибез какого-либо математического анализа. Достаточно взять фильтр с прямоугольной АЧХ и полосой частот, равной ширине спектра сигнала, чтобы частотная селекция была обеспечена пол­

ностью.

355

Для нахождения связи комплексного коэффициента передачи оптимального фильтра с видом спектра помехи, перекрывающим спектр сигнала, рассмотрим прохождение сигнала и помехи через линейный фильтр*). Пусть на вход линейного фильтра действуют совместно сигнал и помеха с произвольным спектром.

где sc' {t) и sa' (t) составляющие на выходе фильтра, обуслов­ ленные действием сигнала и помехи соответственно.

Если фильтр имеет комплексный коэффициент передачи то составляющая сигнала на выходе фильтра равна

— оо

Помеха обычно представляет собой стационарный случайный процесс, поэтому для определения составляющей помехи на выходе фильтра можно воспользоваться теоремой Хинчина, согласно кото­ рой среднеквадратическое значение помехи связано с ее энергети­ ческим спектром зависимостью

♦ J, Частотная фильтрация осуществляется обычно в высокочастотной линей­ ной части приемного устройства, чаще всего в УПЧ.

356

При заданных спектрах сигнала и помехи отношение (8 -6 ) за­ висит только от комплексного коэффициента передачи фильтра. За­ дача нахождения K (jсо), при котором обеспечивается максимум от­ ношения (8 -6 ), может быть решена при помощи неравенства Бу- няковского—Шварца.

Согласно этому неравенству квадрат модуля интеграла от про­ изведения двух функций одного и того же переменного не может быть больше произведения интегралов от квадрата модулей тех же функций при условии, что эти интегралы существуют. На этом осно­ вании можно записать

3

К (уш) eIU>i d(o <

достигается при таком значении K (jсо), которое превращает нера­ венство (8 -8 ) в равенство. Это значение, как видно, равно

К т ( » = Ce~f< , (8-11)

где С — произвольная постоянная;

— спектр, комплексно сопряженный со спектром сигнала.

357

Таким образом, фильтр с комплексным коэффициентом пере­ дачи (8 -1 1) является оптимальным линейным фильтром, обеспечи­ вающим наилучшее выделение сигнала из помехи. Амплитудно-час­ тотная характеристика оптимального фильтра пропорциональна от­ ношению амплитудного спектра сигнала к энергетическому спектру помехи

Как видно из (8-10) и (8-12), оптимальный фильтр пропускает составляющие частотного спектра тем больше, чем больше ампли­ туда составляющих сигнала и меньше интенсивность помехи. От­ ношение сигнал/помеха на выходе оптимального фильтра тем боль­ ше, чем больше спектр сигнала отличается от спектра помехи.

Рассмотрим два близких к практике случая. Первый случай, когда сигнал представляет импульс колокольной формы, а помеха имеет бесконечный и равномерный спектр. Второй случай, когда сигнал имеет ту же форму, но спектр помехи гауссовский. Первый случай соответствует действию собственных шумов приемника, вто­ рой— действию внешней шумовой помехи, прошедшей через резо­ нансные входные цепи приемника.

Для энергетических спектров сигнала и помехи в первом слу­ чае можно записать:

то есть АЧХ оптимального фильтра повторяет форму амплитуд­ ного спектра сигнала (рис. 8-1,6). Отношение сигнал/помеха, кото­ рое обеспечивается на выходе фильтра с такой АЧХ, в соответствии с (8 -1 0) равно

358

Во втором случае энергетические спектры сигнала и шума имеют вид:

Ряс. 8-1

Таким образом, и при гауссовском спектре помехи АЧХ опти­ мального фильтра имеет вид гауссовской кривой (рис. 8-1,а). Та­ кой вид АЧХ легко реализуется, так как именно такой характери­ стикой обладает многокаскадный усилитель промежуточной час­ тоты с резонансными контурамиЯЬС.

Следовательно, оптимальная фильтрация относительно собст­ венных шумов приемника и внешних шумовых помех практически осуществляется в обычном УПЧ при согласовании его полосы про­ пускания с шириной спектра сигнала. Оптимальная фильтрация от­ носительно помех других видов требует более сложных АЧХ фильт­ ров, реализация которых обычно связана- с известными трудно­ стями.

359