Глава 16. Особенности построения мс с цифровой обработкой сигналов

16.1. ДОСТОИНСТВА ЦИФРОВЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ

При цифровой обработке радиолокационных сигналов выборки сигнала, подлежащего обработке, преобразуются в цифровую фор­му—в числа, представленные в виде определенного кода. Чаще всего для этих целей используется двоичный код.

После преобразования аналог—код дальнейшая обработка сиг­налов (фильтрация и измерение координат) производится путем выполнении операций над числами с помощью цифровых устройств подобно тому, как это осуществляется в цифровой ЭВМ [48, 51].

Система цифровой обработки но существу представляет собой комбинацию аналого-цифрового преобразователя (АЦП) со специ­ализированной цифровой ЭВМ, выполняющей операции в реальном масштабе времени.

Устройства цифровой обработки, реализованные на базе совре­менной дискретной микроэлектроники, имеют целый ряд преиму­ществ перед аналоговыми:

большой динамический диапазон;

возможность гибкой и оперативной перестройки параметров фильтров, обеспечивающей более высокую адаптивность РЛС;

высокую стабильность характеристик фильтра;

возможность длительного накопления слабы* сигналов;

большую точность выполнения арифметических операций;

высокую надежность, малую массу и габариты;

возможность сопряжения систем обработки с цифровыми уст­ройствами управления, что особенно важно в РЛС с ФАР.

Подчеркивая достоинства цифровых устройств, приведен сле­дующий пример. Часто при обработке радиолокационных сигналов требуется задерживать их на время, кратное Т_п (устройства че-респериодной компенсации ПП, редиркуляторы и т. д.). В класси­ческих устройствах эту функцию выполняют аналоговые линии за­держки. В цифровых устройствах задерживаемый сигнал запи­сывается в дискретное запоминающее устройство (ЗУ). и извлека­ется из него по мере надобности в более поздний мочен г⁴ времени. Таким образом он может храниться или задерживаться в течение длительных, но точно управляемых интервалов времени, в то вре­мя как обычные аналоговые линии задержки в общем случае уже

312

недостаточно стабильны для задержки импульсов на время 27"_д пли ЗТп. В цифровых устройствах можно реализовать необходимые передаточные функции с задержкой сигналов на время, соответ­ствующее большому числу периодов повторения.

Одним из наиболее существенных преимуществ цифровой об­работки является то, что цифровая аппаратура в процессе эксплу­атации не требует настройки, так как все весовые функции, ис­пользуемые при вычислениях, п все задержки сохраняют заранее выбранные значения в течение любого сколь угодно большого вре­мени. Вместе с тем цифровое преобразование сигналов неизбежно приводит к частичной потере информации, что делает цифровые алгоритмы обработки квазионтимальпыми. Работа цифровых фильтров сопровождается образованием дополнительных шумов, обусловленных необходимостью квантования сигналов (шум кван­тования) и неизбежного округления чисел при проведении вычис­лений (шум округления). Возникает также необходимость строби-рования входных сигналов но времени запаздывания (по дальнос­ти) и. доплеровской частоте, что. делает цифровые устройства мно­гоканальными и приводит к усложнению аппаратуры и увеличению ее объема.

Однако несмотря на эти недостатки перспективность использо­вания методов цифровой обработки сигналов несомненна, посколь­ку реально достижимая эффективность цифровых систем оказыва­ется более высокой, чем аналоговых, а успехи современной микро­электроники делают возможной их практическую реализацию.

Применение цифровых устройств в РЛС может преследовать две цели:

повышение эффективности и улучшение эксплуатационных свойств отдельных радиотехнических устройств в РЛС с оконеч­ными устройствами аналогового типа (индикаторами);

обнаружение и измерение координат целей цифровыми метода­ми с выдачей информации в цифровой форме на цифровую ЭВМ, сопряженную с РЛС.

Следует отметить, что функциональный состав и общая струк­тура РЛС с цифровой обработкой сигналов практически те же, что и РЛС с аналоговой обработкой. Поэтому дальнейшее изло­жение посвящено главным образом особенностям построения сис­темы цифровой обработки сигналов и ее элементов.

16.2. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТШЫ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ

В обзорных РЛС сигнал, отраженный от цели, имеет естествен­ную дискретизацию по времени, обусловленную перемещением ди-'аграммы направленности РЛС в азимутальной плоскости и им­пульсным методом дальнометрии. Искусственной дискретизации

>. . , 313

по времени подвергается сигнал на выходе приемника РЛС в пре­делах одного цикла зондирования (в пределах интервала времени ^ггаах, где /,тах -максимальное время запаздывания отраженного сигнала). Это приводит к разбиению всей дальности на элемен­тарные участки шириной &г. Число таких участков

где R — максимальная дальность обнаружения;

Дг — с7*д/2 — размер элементарного участка но дальности; Т_я — интервал временной дискретизации.

— Ригиялм каждого участка квантуются по амплитуде, преобра­зуются в цифровую форму и запоминаются на время, необходимое для их обработки.

При вращении антенны по азимуту каждый элементарный учас­ток образует так называемое кольцо дальности (капал дальности). При решении задач фильтрации полезных сигналов, обнаружения целей и измерения их координат используется информация с коль­ца дальности в пределах азимутального сектора, равного ширине диаграммы направленности антенны РЛС в горизонтальной плос­кости. Информация в каждом кольце дальности обрабатывается от одного цикла зондирования к другому таким образом, чтобы к началу очередного цикла она заканчивалась па всех интервалах дальностей.

Обработка сигналов во всей зоне обзора РЛС возможна либо путем последовательного анализа информации на различных ин­терналах дальностей,./либо путем параллельного включения уст­ройств обработки в каждое кольцо дальности. При первом спосо­бе требуется меньший объем аппаратуры, однако существенно (на 2 ... 3 порядка) возрастают требования к быстродействию. При па­раллельной обработке пропорционально числу дальномерных ка­налов /V,. уменьшается требования к быстродействию, но растет объем аппаратуры. Возможен также последовательно-параллель­ный способ обработки, обеспечивающий определенный комп­ромисс между быстродействием и объемом аппаратуры. Выбор то­го пли иного способа зависит от многих факторов и определяется, с одной стороны, техническими параметрами РЛС, такими как база сигнала, число импульсов в пачке, требуемый коэффициент подав­ления помех к аппаратуре защиты, допустимый уровень потерь энергии полезных сигналов и т. д., а с другой стороны — наличием и уровнем развития элементной базы.

Следует отметить, что независимо от технической реализации в основе работы устройств линейной цифровой обработки лежит принцип весового (взвешенного) суммирования. Значения весовых коэффициентов определяют характеристики устройства обработки (импульсную, амплитудно-частотную и фазочастотиую) и выбира­ются таким образом, чтобы обеспечить оптимальную или квазидд-

314

тимальную фильтрацию полезных сигналов па фоне различного рода помех.

Рис. 1(5 1. Структурная схема системы цифровой обработки радиолокационных

сигналов

рис. Hi.2. Структурная схема цифрового фнлыра

Для реализации устройства цифровой обработки сигналов не­обходимо иметь:

запоминающее устройство (ЗУ) входных сигналов;

ЗУ весовых коэффициентов;

ЗУ выходных сигналов;

арифметическое устройство (АУ) для выполнения операций умножения значений сигнала на весовые коэффициенты и сумми­рования;

'" оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) для храпения результатов промежуточных вычислений и команд;

устройство управления, обеспечивающее необходимую последо­вательность работы системы обработки.

315

Несмотря на сложность технической реализации, использование таких устройств в РЛС является обязательным и особенно в ап-паратуре защиты от помех при когерентной обработке сигналов. При обнаружении целей и измерении их координат в отсутствие помех, как правило, используется некогерентная обработка бинар­но-квантованных сигналов, имеющая при некотором увеличении потерь в отношении сигнал—шум существенно более простую тех­ническую реализацию.

Обобщенные структурные схемы системы цифровой обработки радиолокационных сигналов и ее основного функционального эле­мента — Цифрового фильтра (ЦФ) представлены соответственно па рис. 16.1, 16.2.

Дальнейшее изложение посвящено более подробному рассмот­рению особенностей технической реализации устройств, входящих в систему цифровой обработки.

16.3- ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ УСТРОЙСТВ

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ

В ЦИФРОВУЮ ФОРМУ