3.9 Тракт приема радиолокационных сигналов

3.9.1 Принципы построения тракта приема и фильтрации радиолокационных сигналов

Тракт приема и фильтрации радиолокационных сигналов включает в свой состав приемное устройство (ПрУ) и устройства защиты от помех (аппаратуру обработки и фильтрации), а также антенну и часть высокочастотного тракта, участвующего в канализации принятых сигналов от антенны к приемнику.

Приемное устройство радиолокационных сигналов осуществляет следующие основные функции:

• усиление полезного сигнала с шумом (помехами);

• избирательность (чаще всего частотная) - выделение сигнала из принимаемой смеси сигнала и шума (помех);

• усиление выделенного полезного сигнала до уровня, обеспечивающего заданное качество обработки и функционирования оконечных устройств;

• преобразование полезного сигнала, включающее преобразование частоты;

• демодуляцию полезного сигнала (декодирование).

Функции усиления и избирательности реализуются на различных частотах: высокой (f_c), промежуточной f_пр = |f_с − f_г| и низкой линейными устройствами преобразования.

Функции, связанные с переносом спектра из одной области частот в другую, реализуются нелинейными устройствами в сочетании с линейными фильтрами высокочастотного тракта.

Структурные схемы ПрУ оказываются различными в зависимости от того, какие функции, как и на каких частотах реализуются. В РЛС обычно все радиолокационные приемники строятся по супергетеродинному типу.

На рис.3.49 представлена обобщенная структурная схема тракта приема и фильтрации радиолокационных сигналов РЛС. Элементы этой схемы имеют место в любой РЛС, хотя тракт конкретной РЛС может и не содержать их полный набор. В РЛС обычно все радиолокационные приемники строятся по супергетеродинному типу.

Построение ПрУ по супергетегодинной схеме имеет ряд преимуществ. Дело в том, что на промежуточной частоте можно обеспечить более стабильное и устойчивое усиление, чем на СВЧ. Кроме того, относительная полоса частот, занимаемая полезным сигналом на промежуточной частоте получается больше, что позволяет обеспечить высокую избирательность по соседнему каналу и упрощает согласованную фильтрацию. Следует заметить, что частоту гетеродина в супергетеродинном приемнике можно менять вслед за любым изменением частоты передатчика без подстройки фильтров промежуточной частоты.

Рис.3.49. Обобщенная структурная схема тракта приема и фильтрации радиолокационных сигналов РЛС.

УВЧ должен обеспечивать такой уровень внутренних шумов приемного тракта, при котором суммарный уровень внешних и внутренних шумов будет близок к минимальному, определяемому только внешними шумами. Практически достаточно иметь уровень внутренних шумов, равный уровню внешних шумов, либо в несколько раз (но не более чем на порядок) меньше его. УВЧ подключается к антенне с помощью пассивных элементов, объединенных под общим названием тракт высокой частоты на прием или входные цепи (фидерный тракт).

Входная цепь и УВЧ обеспечивают предварительную селекцию по частоте и предварительное усиление сигнала. В качестве преселекторов используются отдельные колебательные системы или совокупности нескольких связанных колебательных систем. На частотах от 200 до 1000 МГц в качестве межкаскадных цепей применяются отрезки длинных линий, а на частотах свыше 1000 МГц − объемные резонаторы, поскольку здесь отрезки длинных линий вследствие потерь из-за поверхностного эффекта не обладают высокой добротностью.

Преобразователь частоты осуществляет перенос спектра частот сигнала в область промежуточных частот. Основными его параметрами являются коэффициенты шума и передачи мощности, влияющие на чувствительность тракта, а также динамический диапазон по сигнальному входу и значение промежуточной частоты, влияющие на степень подавления приема по зеркальному каналу и электромагнитную совместимость.

УВЧ и преобразователь частоты стремятся установить в непосредственной близости от облучателя антенны (во избежание потерь).

Основная обработка сигналов производится на промежуточной частоте.

Согласованная фильтрация одиночных узкополосных эхо-сигналов производится, как правило, в УПЧ, представляющем собой многокаскадный усилитель с линейными фильтрами, формирующими частотную характеристику требуемого вида. Для достаточного предварительного усиления сигналов по мощности и согласования с низкоомной нагрузкой применяют специальные каскады предварительного усиления промежуточной частоты – ПУПЧ.

Аппаратура защиты от активных шумовых помех – АЗАШП осуществляет автоматическую компенсацию активных шумовых помех на промежуточной или видеочастотах. Сущность автоматической компенсации состоит в том, что из совокупности шумовой помехи и полезного сигнала, принимаемой основной антенной, автоматически вычитается помеха, принимаемая дополнительной слабонаправленной антенной, перекрывающей боковые лепестки ДН основной антенны. Дополнительных антенн, в общем случае, может быть несколько.

Для обеспечения линейной обработки сигналов принимаются меры по расширению динамического диапазона УПЧ, например, с помощью систем АРУ. Выходное напряжение УПЧ поступает, как правило, на амплитудный или фазовый детекторы. Параметры детекторов существенно зависят от амплитуды детектируемого сигнала. Граничное значение амплитуды, начиная с которого параметры детектора становятся приемлемыми и стабильными, составляют 0,5-1 В в зависимости от типов диодов, используемых в детекторе. Поэтому на УПЧ, кроме обеспечения согласованной фильтрации, возложена также функция усиления сигналов до величины, необходимой для нормальной работы детекторов.

Видеоусилитель (ВУС) представляет собой широкополосный усилитель видеочастот, полоса пропускания которого согласована со спектром усиливаемого сигнала до уровня, необходимого для нормальной работы индикаторных устройств и аппаратуры автоматического обнаружения сигналов.

Аппаратура защиты от пассивных помех − АЗПП осуществляет когерентную обработку принятых сигналов. Она может быть реализована на промежуточной частоте или видеочастоте с целью выделения полезных сигналов на фоне пассивных помех. После детектирования выходные сигналы АЗПП поступают на коммутатор, который, в зависимости от установленного режима работы, осуществляет коммутацию сигналов амплитудного и когерентного каналов.

Устройство защиты от несинхронных импульсных помех (НИП) осуществляет подавление, как правило, бланкирование НИП на видеочастоте.

Устройство объединения парциальных каналов имеет место в приемных трактах РЛС, формирующих несколько парциальных лучей на прием, либо в РЛС с многочастотными сигналами.

Энергию пачки импульсов можно накопить путем перехода от фильтров, согласованных с отдельными импульсами, к гребенчатым фильтрам, согласованным с периодической последовательностью импульсов. В РЛС старого парка обычно используется некогерентное накопление видеоимпульсов. Для этого в приемный тракт после устройства объединения каналов либо до него (в каждый канал) включают соответствующий функциональный элемент – некогерентный накопитель.

При использовании цифровых методов и устройств для когерентной обработки сигналов на видеочастоте, детектирование целесообразно выполнять в квадратурных каналах, что позволяет получить квадратурные амплитуды

U_c(t)= Re [U(t)]= u(t)^.cos (t),

U_s(t)= Im [U(t)]= u(t)^.sin (t). физического сигнала (3.27)

U(t) = Re [U(t)·exp (f_пр·t)] = u(t)·cos[2f_пр·t + (t)].

Соотношение амплитуд (3.27) зависит от начальной фазы (t) сигнала (рис.3.50).

Рис.3.50. Схема детектирования в квадратурных каналах.

В современных РЛС функции защиты от активных и пассивных помех возлагаются на цифровые устройства защиты от помех.

В современных РЛС приемный тракт может строиться при совместном применении линейного и нелинейного канала обработки (рис.3.51). Основу линейного канала обработки составляют элементы, рассмотренные выше. В нелинейный канал обработки входят, как правило, ограничитель и согласованный фильтр.

Рис.3.51. Линейный и нелинейный каналы обработки.

Аппаратура автоматической обработки при обнаружении эхо-сигнала выдает на измеритель импульс целеуказания, разрешающий измерение параметров сигналов. В таких устройствах при измерении координат воздушных объектов для повышения точности используется информация линейного канала обработки.

В нелинейном канале принимают меры по стабилизации уровня ложных тревог сигналы с выхода этого канала поступают на устройство автоматического обнаружения целей.

Супергетеродинным приемникам присущи и некоторые особенности:

1. В перестраиваемых приемниках требуется сопряжение (совместимость) настроек контуров входной цепи, УВЧ и гетеродина. При работе на фиксированных частотах этот недостаток отпадает.

2. Наличие преобразователя частоты приводит к появлению побочных каналов приема: на промежуточной частоте; зеркального; комбинационных каналов; интермодуляционных.

Сигнал и колебания местного гетеродина (МГ) одновременно воздействуют на смеситель, представляющий собой нелинейный элемент. В результате на выходе смесителя получается сложное колебание, содержащее составляющие с частотой сигнала f_с, его гармоник 2f_с, 3f_с..., составляющих с f_г и его гармоник 2f_г, 3f_г ... и большое число комбинационных составляющих с частотами:

f = |nf_г + mf_с|, m, n = 1,2,...

Промежуточная частота f_пр – одна из комбинационных частот

f_пр = |f_г − f_с|, при f_пр < f_c.

Зеркальный канал образуется на частоте f_зк = f_г + f_пр = f_с + 2f_пр при f_г > f_с (при верхней настройке гетеродина) и f_зк = f_г − f_пр = f_с − 2f_пр при f_г < f_с (при нижней настройке гетеродина).

Если эта частота входит в полосу пропускания преселектора, имеющего частотную характеристику К_прес(f), показанную на рис.3.52, то в преобразователе частоты образуется соответственно частота

f_зк − f_г = f_пр , (f_г − f_зк = f_пр),

т.е. такая же, как частота

f_г − f_с = f_пр , (f_c − f_г = f_пр)

от полезного сигнала.

Рис.3.52. Побочные каналы приема.

Следовательно, происходит наложение спектров полезного и мешающего сигналов, и частотная фильтрация последнего становится невозможной. Ослабить воздействие по зеркальному каналу можно двумя путями: увеличением частотной избирательности преселектора или более высокой промежуточной частоты. В последнем случае увеличивается и частота зеркального канала, что позволяет лучше отфильтровывать ее в преселекторе. Однако чем выше промежуточная частота, тем труднее обеспечить высокую избирательность УПЧ с полосой пропускания, согласованной с шириной спектра полезного сигнала. Для устранения помех одновременно по зеркальному и соседнему каналам применяют многократное преобразование (снижение) частоты:

f_пр1 = f_г1 − f_с; f_пр2 =f_г2 − f_пр1 .

Комбинационный канал приема образуется в результате взаимодействия комбинационных частот гетеродина и сигнала

f_ком = |nf_г + mf_с|, m, n = 1,2,...

В результате образуются частоты, близкие к f_пр, т.е. входящие в полосу пропускания УПЧ. Усиливаясь так же, как и полезный сигнал на частоте f_пр, комбинационные составляющие совместно с частотами сигнала на выходе детектора образуют биения (f_ком − f_пр). Если они входят в полосу пропускания усилителя низкой частоты, то являются помехой, воспроизводимой далее оконечным устройством. Основной мерой устранения комбинационного канала приема является снижение уровня гармоник гетеродина и сигнала выбором режима работы смесителя.

Интермодуляционный канал приема образуется при прохождении через преселектор двух и более мешающих сигналов на частотах f₁...f_i., которые в смесителе образуют сигналы с частотами:

f_ин = n₁f₁ + n₂f₂ + n₃f₃ + _....+ n_lf_i,

где n₁,...n_i – целые числа.

Прямой канал приема образуется, когда помеха имеет частоту, равную промежуточной частоте, и, воздействуя на преобразователь частоты, проходит без преобразования в канал УПЧ. При проектировании супергетеродинного приемника побочные каналы могут быть практически устранены правильным выбором промежуточной частоты, режима работы преобразователя частоты и необходимой частотной избирательности преселектора и УПЧ.

Таким образом, общим принципом построения трактов приема и фильтрации РЛС является согласование их параметров с параметрами полезных радиолокационных сигналов. Условия согласования вытекают из требований к этим трактам, которые в общем случае сводятся к обеспечению достаточного уровня мощности на выходе, качества фильтрации полезных сигналов на фоне помех и обеспечению максимально возможного отношения сигнал/шум при условии допустимых искажений тех параметров сигналов, которые используются в процессе измерений.