3.13.3 Когерентное накопление импульсных сигналов с неизвестным доплеровским сдвигом по частоте

При относительном движении отражающего объекта РЛС принимаемые колебания имеют частоту f = f_o + F_Д, где f_o – излучаемая частота;

F_Д = f_o·[(1 – V_r/c)]/(1 + V_r/c)  2^.V_r/)

F_Д – частота Доплера; V_r – скорость удаления или сближения объекта и РЛС (радиальная скорость);  = c/f_o – длина волны.

Если бы радиальная скорость объекта была заранее известна, то для когерентного накопления сигналов, отраженных этим объектом, достаточно было бы сдвинуть частоту опорных колебаний в системах обработки (см.рис.3.81 г и д) на частоту Доплера. Однако обычно V_r объекта необходимо определять в процессе или после его обнаружения. Поэтому частота Доплера заранее неизвестна.

Для осуществления когерентного накопления сигналов от подвижных объектов имеются три возможности, которые рассматриваются ниже.

Первая заключается в построении многоканальной системы обработки. Каждый ее канал соответствует одному из сравнительно узких участков спектра ожидаемых частот Доплера, а совокупность всех ее каналов перекрывает полностью этот спектр. Каждый канал этой системы выполняется по аналогичной структурной схеме (рис.3.84), отличающийся от системы (рис.3.81,д) наличием генератора частоты Доплера ГЧД и смесителя СМ излучаемой частоты f_o и частоты Доплера F_Д. Фазовращатель ФВ изменяет фазу одного из опорных колебаний на 90^о.

Смещение частоты опорного колебания для данного канала k выбирается фиксированным:

F_Дk = F_Дmin + (k + /2)·F,

где F = (F_Дmax – F_Дmin)/M – ширина полосы пропускания каждого канала; F_Дmax и F_Дmin – соответственно максимальная и минимальная ожидаемые частоты Доплера; М – число каналов; k – целое число, лежащее в пределах от 0 до М – 1. Чем больше число каналов и уже их полоса пропускания, тем точнее осуществляется когерентное накопление сигналов, попавших в данный канал.

Рис.3.84.

Расчеты показывают, что каналов системы обработки, осуществляющей когерентное накопление сигналов от быстро перемещающихся объектов достигает многих десятков и даже сотен. При этом целесообразность реализации такой системы может оказаться сомнительной.

Для когерентного накопления радиоимпульсных сигналов с неизвестным доплеровским смещением частоты можно использовать и корреляционно-фильтровую систему (рис.3.83). Ее выполняют многоканальной и по частоте ожидаемых сигналов, заменив в ней оптимальный фильтр, настроенный на частоту излучаемых сигналов, параллельным соединением аналогичных фильтров со смещенными на F частотами настройки.

Вторая возможность когерентного накопления сигналов от подвижных объектов состоит в поиске объекта по радиальной скорости и реализуется системой обработки, в которой генератор частоты Доплера ГЧД перестраивается во всем диапазоне ожидаемых частот Доплера. Однако описанная система требует в М раз большего времени на поиск и накопление сигналов, чем в многоканальной системе. Поэтому в системах обнаружения быстро перемещающихся объектов она не может быть использована по тактическим соображениям.

Наконец, рассмотрим третью возможность когерентного накопления сигналов от подвижных объектов. Она реализуется с помощью одноканальной системы, в которой одновременно и когерентно накапливаются импульсные сигналы с различными доплеровскими сдвигами по частоте. Основным ее элементом является рециркулятор (рис.3.85,а). На рис.3.85 показаны структурные схемы рециркуляторов-когерентных накопителей сигналов.

Принцип ее работы поясним на простейшем примере, когда на вход подается гармоническое колебание u₁(t) = U·cos t, частоту которого сначала полагаем известной. В результате циркуляции по цепи обратной связи на второй вход сумматора (рис.3.85,а) поступит колебание u₃(t) = m·U·cos (t – T). Оно будет в фазе с колебанием u₁(t) только в том случае, если  =(2/Т)·n, где n – целое число. После синфазного сложения таких колебаний в сумматоре на выходе образуется колебание u₃(t) = (1 + m)·U·cos t.

Рис.3.85

После двухкратной циркуляции амплитуда выходного напряжения в 1 + m + m² раз больше амплитуды входного напряжения, а после k циркуляций – в (1 – m^k+1)/(1 – m) раз и т.п.

Если бы удалось выполнить m = 1, то после k циркуляций амплитуда выходного колебания возрастет в (k + 1) раз. В этом и заключается когерентное накопление входного колебания.

Колебания другой частоты  = 2·n/Т будут суммироваться с фазовыми сдвигами, соответственно равными Т, 2Т, 3Т и т.д. Эти фазовые сдвиги можно скомпенсировать, поставив в цепь обратной связи рециркулятора фазовращатель на угол (Т) = 2·R·(Т/2) (рис.3.85,б), R – дробная часть числа х.

Если частота входного колебания заранее неизвестна, то получить его когерентное накопление можно путем изменения угла поворота фазы фазовращателя по закону (рис.3.86,а):

 (t) = 2·t/Т, (3.48)

что эквивалентно смещению частоты циркулирующего колебания на величину  = /dt = 2/Т (рис.3.85,в). В этом случае за время Т задержки сигнала в цепи обратной связи угол поворота фазы плавно меняется по линейному закону от нуля (при t = 0) до  (при t = T/2) и далее до 2 (при t = T). Поэтому независимо от значения частоты накапливаемого колебания в один из моментов времени в течение длительности Т фазы накапливаемых колебаний будут совпадать, что и обусловит их когерентное накопление.

Когерентное накопление происходит в тот момент времени, в который угол поворота фазы (3.48) с точностью до целого числа 2 совпадает с углом запаздывания фазы колебания, происходящего вследствие его задержки на время Т в цепи обратной связи. Поэтому условие когерентного накопления в этом случае таково:

·t = ·Т – 2·n₁,

где n₁ – целое число. Следовательно, когерентное накопление колебания частоты и происходит в моменты времени

t = (·Т – 2·n₁)/. (3.49)

Таким образом, частота входного колебания линейно связана с моментами достижения максимума выходным колебанием. Изменяя этот момент времени, можно измерять частоту входного колебания. На этом принципе и основаны одноканальные анализаторы спектра для одновременного анализа.

Если на вход рециркулятора подается не непрерывное гармоническое колебание, а радиоимпульсы длительностью  с периодом повторение Т и с неизвестной частотой , то для их когерентного накопления необходимо изменять фазу фазовращателя рециркулятора уже по закону (рис.3.86,б) (t) = 2·t/ или смещать частоту циркулирующих импульсов на величину  = 2/. В этом случае угол поворота фазы накапливаемого радиоимпульса в течение его длительности плавно и линейно изменяется в интервале, ширина которого равна 2. Вследствие этого вне зависимости от величины несущей частоты накапливаемых радиоимпульсов их фазы совпадают в один из моментов времени в течение их длительности. Это и приведет к их когерентному накоплению. При этом моменты когерентного накопления (3.49) несут информацию о частоте накапливаемых радиоимпульсов.

При приеме радиолокационных сигналов, отраженных от подвижных объектов, их частота f = f_o – F_Д, ввиду чего условие (3.49) принимает вид

t(F_Д) = [2/](f_o Т – F_Д·Т – n₂ )= 2·/·(n₂ – F_Д·Т), (3.50)

где n₂ – целое число. Здесь предполагалось, что период повторения Т кратен периоду _o = 1/f_o несущего колебания. В частности, при приеме сигнала от неподвижной цели (F_Д = 0)

t(0) = 2·n₂/= n₂_o. (3.51)

Из выражений (3.50) и (3.51) следует, что временное смещение максимума выходного сигнала, обусловленного когерентным накоплением, вследствие доплеровского сдвига частоты выходного сигнала

t = t(F_Д) – t(0)= –(2·T/)·F_Д

пропорционально величине этого сдвига.

Рис.3.86. Законы изменения фазы в цепи обратной связи рециркуляторов.

Следовательно, что при каждой рециркуляции накапливаемого импульса происходит смещение его спектра на величину f, которая совпадает с шириной спектра этого импульса. Поэтому для осуществления N рециркуляций полоса пропускания устройства задержки должна быть в N раз больше, чем в обычном рециркуляторе. Это может вызвать большие трудности при осуществлении рассматриваемой системы.

Таким образом, рассмотренные методы реализации оптимального приема когерентной пачки импульсов, т.е. процесс оптимальной обработки такой пачки, называются когерентным приемом или когерентной обработкой, а применительно к межпериодной обработке – когерентным накоплением. Терминология остается в силе независимо от того, является ли накопление радиочастотным или видеочастотным.