2. Пространственная селекция

Пространственной селекцией называется разделение (разрешение) полезного и мешающего сигналов по различию пространственного положения их источников. Пространственная селекция применяется для борьбы с тактовыми помехами, как ложные цепи, двухточечные и многоточечные некогерентные и когерентные помехи, отражения земли и гидрометеоров, пассивные помехи, помехи «антипод» и другие.

Для многих типов РЭС пространственная селекция является радикальным средством защиты от помех и позволяет получить требуемые характеристики помехоустойчивости. Пространственная селекция принадлежит универсальным методам защиты от помех, источники которых не совмещены с источником полезного сигнала.

Реализуется пространственная селекция двумя основными методами: формированием диаграммы направленности заданной формы и ориентации в пространстве за выбора формы и размеров антенны; функциональной обмоткой сигналов, принятых несколькими антеннами.

Разрешающая способность по угловым координатам оценивается минимальным углом между направлением на источники излучения, при котором еще возможно дельное измерение угловых координат источников, разрешаемых по дальности и скорости с требуемой дальностью.

Разрешающая способность определяется формой и шириной ДН и зависит от отношения мощности мощности сигнала к мощностипомехи и метода пеленгации целей.В частности, для РЛС, работающей в режиме обзора, считают между разрешающей способностью, выраженной через ширину диаграммы направленности по половинной мощности и отношением мощности сигнала к мощности цепи приемника для двух значений вероятностей разрешения.

приведена в табл. 4 (ДН РЛС аппросимирована выражением )

	3	4	5	6
0,9
0,8

Форма и ориентация ДН в пространстве зависят от целевого назначения системы и определяются для одиночной антенны её формой, раз мерами, отнесенными к длине волны, распределением поля по раскрыву антенны. Важнейшей характеристикой антенн с точки зрения борьбы с помехами является уровень боковых лепестков и их расположение относительно главного. Боковые лепестки затрудняют обнаружение целей и определение их угловых координат при наличии помех, расширяют возможности подавления РЭС, ухудшают автосопровождение по углу при распределённых в пространстве источниках сигналов.

Уровень бокових лепестков можно уменшить следующими методами: специальной конструкцией антенн; использованием специального распределения поля по раскрыву антенны; уменьшением влияния облучателя, обтекателя антенны, краевых эффектов (нанесением на кромки раскрыва слоя радиопоглощающего материала) и местных предметов; временной модуляцией положения фазового центра.

Селективные свойства антенной системы можно повысить, используя селекцию по параметру сигнала, величина которого зависит от направления прихода сигнала. Так, например, используя дополнительное условие в сигнале, принятом антенной высотомера, можно искусственно повысить его разрешающую способность.

Получение ДН сложной формы с помощью одиночной антенны наталкивается на ряд принципиальных и технических трудностей. Поэтому для формирования требуемой ДН используют несколько ДН, соответствующим образом ориентированных в пространстве, и различные способы обработки принимаемых ими сигналов.

Возможна линейная и нелинейная обработка сигналов, принятых отдельными антеннами, а именно – суммирование и перемножение сигналов. Антенны, используемые для приема сигналов, подвергающихся первому виду обработки, называют суммирующими, второму – перемножающими. Из сравнения этих двух способов обработки можно сделать следующие выводы [6,72]:

при одинаковых геометрических размерах суммирующих и перемножающих антенн результирующая ДН последних будет уже, чем первых. Однако разрешающая способность такой системы хуже из-за дополнительной составляющей помехи, обусловленной квадратичной характеристикой перемножителя;

применение перемножающих антенн в РЛС целесообразно при работе по одиночной цели или когда разрешение обеспечивается по другим параметрам сигнала, при этом может быть получена более высокая точность измерения угловых координат;

при использовании перемножающих антенн можно подавить боковые лепестки за счет перемены знака выходного сигнала от разных лепестков;

перемножающие антенны позволяют производить электрическое сканирование луча.

Возможна и комбинированная обработка сигналов, принятых отдельными антеннами.

Для улучшения пространственной селекции сигнала на фоне помех, приходящих с направлений, которые не совпадают с направлением на источник сигнала, применяются компенсационные методы, принцип которых заключается в следующем [89].

Приемная система включает основную и две дополнительные компенсационные антенныи(рис. 6). В каждом из каналов возможна регулировка комплексных коэффициентов передачипо амплитуде и фазе. колебания, прошедшие через соответствующие каналы, поступают на сумматор. Суммарная комплексная характеристика направленностив одной из плоскостей выражается через соответствующие характеристикиантенн следующим образом:

Если угловые координаты источников помех и, а цели, то можно добиться образования провалов в результирующей характеристике в направлении на источники помех соответствующим расположением ДН каждого канала в пространстве и подбором коэффициентовПри заданныхкоэффициенты должны удовлетворять следующей системе уравнений:

Компенсационный метод можно применять при априорно известных и, что имеет место при малых высотах полета летательного аппарата, решении задачи ЭМС и т.д.

В зависимости от параметров сигналов используются различные методы компенсации: амплитудного вычитания, высокочастотный, поляризационный, структурный, методы, основанные на специфических особенностях конкретного типа РЭС.

Структурная схема, реализующая компенсационный метод для борьбы с отражениями от земли при полете на малых высотах, показана на рис. 7, а. Сигналы принимаются антеннами и. В каждом канале они усиливаются соответствующим приемником с переменным коэффициентом передачиили. ДН первого и второго каналов

разнесены в вертикальной плоскости на угол , но совпадают в горизонтальной плоскости. Подбором коэффициентов передачи достигается выполнение равенства

что соответствует провалу в результирующей ДН (пунктир на рис. 7, б). Если цель, находящаяся на одном расстоянии с помехой, расположена под другим углом , то

При изменении необходимо менять коэффициенты усиления блоком программного управления (БПУ).

Возможно и автоматическое формирование провала в результирующей ДН в направлении на помеху. Структурная схема компенсатора с корреляционной обратной связью [89] показана на рис. 8. Суммарное напряжение на выходе схемы

(2.1)

В цепи обратной связи находятся устройства для вычисления корреляционных моментов:

где - постоянный коэффициент.

Подставляя в последние выражение значения значение из формулы (2.1), получаем систему уравнений:

где - весовой коэффициент.

При ,и полной корреляции напряженийиимеем, т.е. в результирующей ДН автоматических формируется провал в направлении прихода коррелированных сигналов (помех). Поскольку рассмотренная схема компенсации формирует провал ДН и по полезному сигналу, то прием этого сигнала будет производиться только в том случае, если его длительность мала и система не успевает перестроиться.

При компенсации боковых лепестков требуется сформировать нулевую зону приема не для одного направления, а для всей области боковых лепестков. Диаграммы направленности при компенсационном методе амплитудного вычитаний боковых лепестков показаны на рис. 9.

Для идеальной компенсации необходимо, чтобы нормированная с учетом коэффициента передачи функция , описывающая ДН антенны компенсационного канала, была равна 0 в области главного лепестка ДН основной антенны, а в области боковых лепестков совпадала с, т.е.

Так как обеспечение этих условий при перемещениях ДН затруднено, то используют либо ненаправленные , либо перекрывающиекомпенсационные антенны.

Компенсационные методы при сканирующих в пространстве ДН можно использовать и для борьбы с модулированными помехами, источники которых совмещены с целью. Один из возможных методов борьбы с помехой, прицельной по частоте сканирования, заключается в следующем [16]. Отраженный от цели сигнал, промодулированный по амплитуде напряжением с частотой сканирования за счет перемещения ДН в пространстве,

и помеховый сигнал, промодулированный в передатчике помех напряжением с частотой ,

поступают на вход антенны со сканирующей ДН приемника и на вход антенны с неподвижной ДН компенсационного приемника (рис. 10). На выходе узкополосного усилителя основного приемника имеем следующее выражение при воздействии на вход полезного и помехового сигналов:

где - коэффициент усиления основного приемника. Напряжение на выходе узкополосного усилителя компенсационного приемника

Выполнив в компенсационном устройстве вычитание сигналов и, можно выделить составляющую сигнала, содержащую информацию о положении цели (источника помех) в пространстве. При

Формирование ДН различной формы и ориентации, управление их пространственным положением и перемещением возможно различными способами. Особенно широкий простор для решения этих задач открывается при использовании антенн в виде фазированных решеток.

Фазированная антенная решетка (ФАР) состоит из отдельных определенным образом друг относительно друга. Амплитуды и фазы сигналов, подаваемых (снимаемых) на эти элементы, и их изменения задаются таким образом, чтобы получить требуемое количество лучей соответствующей формы с определенным их положением и перемещением в пространстве.

Повысить пространственную селекцию с использованием ФАР можно следующим образом [47, 53, 85]: изменением как формы, так и пространственного положения ДН со стабилизацией луча в пространстве или перемещением его с переменной скоростью; распределением поля по раскрыву, в частности, с помощью временной модуляции высокочастотной энергии на элементах решетки, что позволяет получить низкий уровень боковых лепестков (порядка – 35 дБ в ФАР по сравнению с – 25 дБ в зеркально-параболической антенне); обеспечением минимального приема в направлении на источник помехи; компенсацией искажений формы ДН.

Разрешающая способность по углу зависит от величины раскрыва антенны и растет с его увеличением (при постоянной длине волны). Диаграмма направленности всей антенны связана с диаграммами отдельных её элементов(при расстоянии между элементами d) следующим образом (рис. 11). Сигналы, принятые каждым элементом антенны, подаются на сумматор, напряжение на выходе которого.

Разность фаз сигналов в смежных элементах при измерении в одной координатной плоскости

Пологая, что плотность потока мощности принимаемого сигнала постоянна в пределах всей поверхности ФАР, при амплитуде напряжения на каждом элементе, равной единице, запишем напряжение на выходе сумматора для линейной ФАР из N элементов

Полученное выражение преобразуем к виду

Откуда нормированная ДН

При и ширина главного луча в градусах на уровне половинной мощности

Возможно и искусственное увеличение раскрыва антенны, основанное на когерентном суммировании отраженных сигналов. Этот метод используется в РЛС бокового обзора. Импульсная РЛС, установленная на движущемся по прямолинейной траектории самолете, излучает когерентные зондирующие сигналы и принимает отраженные, которые запоминаются, а затем когерентно складываются. Искусственное увеличение раскрыва антенны получается за счет использования участка траектории полета самолета. В указанной РЛС достигается высокая разрешающая способность (порядка единиц метров) независимо от дальности наблюдения и длины волны зондирующего сигнала.

Формирование ДН с требуемой формой может быть достигнуто использованием пространственного разнесения точек приема.

Этот способ повышения помехоустойчивости применяется в пространственно-разнесённых системах с компенсационными методами борьбы с помехой, источник которой не совмещен с источником полезного сигнала, а также при разнесенном приеме для борьбы с замираниями.

Рассмотрим компенсацию помех (увеличение отношения сигнал/помеха) в пространственно-разнесенной системе [82] (рис. 12). В точках А и В находятся приемники, а в точках С и D – источники помехи N и полезного сигнала S соответственно. Обозначим уровни сигналов и помех в точках А и В через . Так как, то и , а значит, можно подобрать такие коэффициенты усиления приемников в точках А и В (и), что

, а (2.2)

На выходе разнесенной приемной системы обеспечивается независимость выходного сигнала от помехи

Таким образом, необходимым и достаточным условием разделения сигнала и помехи является выполнение условия (2.2). Аналогично можно поступить и в случае любого конечного числа источников помех с известными координатами. В реальных условиях расположение источников помех неизвестно. В этом случае увеличения отношения сигнал/помеха можно добиться изменением коэффициентов усиления приемников.

Разнесенный прием широко используется для борьбы с замираниями в диапазоне декаметровых (коротких) волн. Такой прием имеет целью обеспечить статистическую независимость флюктуаций принимаемых сигналов, а значит, и малую вероятность одновременного замирания некоррелированных или слабокоррелированных сигналов.

Сигналы, принятые разнесенными, после усиления в соответствующих приемных каналах складываются. Отношение сигнал/помеха на выходе сумматора

Где и- амплитуды принимаемых сигналов;и- дисперсии помех;и- коэффициенты усиления приемных каналов.

Значения коэффициентов усиления каналов, обеспечивающих максимальное отношение сигнал/помеха, получаются совместным решением системы уравнений:

Если спектральная плотность помехи в точках приема одинакова (отсутствие замираний помеховых сигналов), а полосы пропускания приемников равны, то . Тогда.

Структурная схема устройства, реализующего рассмотренный метод приема, показана на рис. 13. Требуемые изменения отношения коэффициентов усиления приемников достигаются с помощью перекрестных АРУ.

В случае схема работает по способу простого сложения сигналов

При воздействии на РЛС многоточечных помех, при одновременном приеме сигналов как отраженных от земли, и в других случаях воздействия распределенных в пространстве помех антенна РЛС отслеживает координаты некоторой точки, не совпадающей с координатами цели. Подобный эффект наблюдается и при полете самолетов группами в пределах неразрешаемого РЛС объема. Такие полеты самолетов можно рассматривать как один из методов противодействия системам управления оружием. Раздельное измерение координат источников помех и цели, не селектируемых по дальности, скорости, поляризационным характеристиками и находящихся в пределах одной ДН, возможно методами функциональной обработки [55, 68, 108]. Это – задача разделения излучений, создаваемых несколькими источниками (задача разделения двух или большего числа функций).

Указанную задачу можно сформулировать следующим образом. При заданной совокупности функций , подлежащих разделению, требуется определить вид функциональной зависимости между ними (систему операторов), допускающей полное разделение этих функций, заданных в некоторых совокупностях, является их независимость. Условием независимости функций в системе уравнений

является неравенство нулю якобиана J этой системы. Поэтому для искомых функций необходимо выбрать такие операторы, чтобы

Применительно к радиолокационным измерениям обозначают сигналы на выходе соответствующих приемных каналов;- функции, определяемые координатами источников излучения.

Независимые уравнения, обеспечивающие разрешение конечного числа неселектируемых источников, формируются следующими методами: использованием комбинированной амплитудно-фазовой системы; методом разделения волн; методом многоканального приема, реализуемого в пространственно-многоканальных, частотно-многоканальных и смешанных системах.

Рассмотрим решение задачи для метода пространственно-многоканального приема при следующих условиях: источники излучения считаем точечными, сигнал представляет собой одиночную посылку одной поляризации.

Ставится задача определить угловые координаты и(n=1,2,…,N) N источников, излучения которых принимаются М приемными антеннами. При факторизуемых ДН, т.е. при разложении функций , описывающей нормированную ДН, на независимые сомножители,

где ;и- коэффициенты разложения в ряд Тейлора множителей ДН, зависящих отисоответственно; m – номерлуча; К – степень разложения ряда Тейлора. В этом случае комплексное напряжение на выходе m-го канала

Где N – число источников излучения; - комплексная амплитуда сигнала от n-го источника.

Поскольку последнее уравнение является комплексным, то при двух источниках (N = 2), содержащих восемь неизвестных (для каждого источника неизвестны его угловые координаты, амплитуда и фаза принятого сигнала), требуется не менее четырех антенн (M = 4).

Если обозначить то при аппроксимации ДН приемных антенн полиномами первой степени получим следующую исходную систему уравнений для определения координат источников излучения:

где

Свяжем значения с неизвестными.

Из первых двух уравнений системы для имеем:

Из третьего уравнения системы с учетом выражений для комплексных амплитуд ,ии после несложных преобразований запишем

Выделяя действительную и мнимую части последнего уравнения, имеем

; , где,.

Взяв отношение правых и левых частей уравнений, запишем

Уравнение для определения имеет вид, аналогичный уравнению, полученному для. Таким образом, искомые значенияинаходятся как корни уравнения

где .

Аналогично можно получить для следующее уравнение:

.

Следует отметить, что при решении уравнений для определения ипоявляется неоднозначность в соответствии корней уравнений, т.е. неизвестно, какое из значенийсоответствует, а какое -. Для решения этой неоднозначности используется уравнение, дающее следующее условие проверки: при, если, то[68].

Функциональная схема двухцелевого пеленгатора при K=1 показана на рис. 14. Сигналы -с выходов антенн, расположение ДН которых показана на рис. 15, суммируются в соответствии с весовыми коэффициентами, являющимися функциями коэффициентов разложения, и на выходе сумматора образуют значения, содержащие искомые неизвестные. Производя в блоке формирования операции, указанные на рис. 14, получаем значения, являющиеся коэффициентами уравнений при неизвестныхи. В последующих блоках производится решение уравнений и разрешение неоднозначности в соответствии с условиями проверки.

Хотя прием и обработка сигналов в двухцелевом пеленгаторе достаточно сложны, применение метода многоканального приема для борьбы с помехами целесообразно. Этот метод обладает более высокой разрешающей способностью, чем компенсационные методы. Увеличение

разрешающей способности в случае применения метода многоканального приема объясняется использованием пространственно-временных характеристик принимаемых сигналов.

Итак, измерение координат конечного числа точечных источников полезных сигналов и помех сводится к отысканию методов полного разделения излучений, создаваемых этими источниками. Выполнение этого условия, как было отмечено, математически обеспечивается неравенством нулю якобиана преобразования системы уравнений, связывающей с помощью определенных операторов значения сигналов на выходе соответствующих приемных каналов с искомыми функциями координат источников сигналов.

Способ формирования системы уравнений (что, с точки зрения преобразования информации, соответствует преобразованию пространства целей в пространство сигналов) определяет способ приема, а метод решения системы уравнений (преобразование пространства сигналов в пространство результатов измерений) – способ обработки.

Если при действии конкретного вида помех на многоканальный измеритель (пеленгатор) не нарушается неравенство нулю якобиана преобразования, то используемый в данном измерителе многоканальный способ приема помехоустойчив относительно рассматриваемого вида помех. Аналогично можно утверждать и обратное: если воздействие помех приводит к тому, что якобиан преобразования становится равным нулю, то защита от таких помех в анализируемой системе невозможна. Можно показать, что воздействие совмещенной с целью помехи на пеленгатор с мгновенной равносигнальной зоной не приводит к нулю якобиан преобразования. Это объясняется тем, что при одновременном приеме сигналов двумя каналами и извлечении информации об угловых координатах в виде отношения принятых сигналов измерения угла не зависит от типа модуляции отраженного (излученного) сигнала, а значит, не зависит от действия совмещенной с целью помехи.

Повышение потенциальных возможностей методов создания помех требует увеличения числа разнесенных в пространстве источников помеховых сигналов, а повышение потенциальных возможностей методов определения координат в этом случае требует увеличения числа независимых каналов приема.

Практическая реализация потенциальных возможностей многоканальных измерителей наталкивается на ряд технических трудностей (сложность, жесткие требования к идентичности каналов и т. д.). В ряде случаев возможно обеспечить измерение координат источников и при недоопределенной системе уравнений за счет учета специфики создания помех, их воздействия на систему и т. п. Если же способ обработки сигналов в РЛС помехоустойчив, а активные помехи воздействуют на РЛС лишь за счет несовершенства отдельных элементов аппаратуры (ограничение динамического диапазона приемного тракта, наличие нелинейных элементов, несовершенство работы схемы АРУ, переключение каналов и т. п.), то повысить помехоустойчивость можно, лишь устранив вышеуказанные недостатки.