Предложения по технической реализации устройств шумовых радиолокационных станций со спектральной обработкой сигналов

Для примера на рис. 23 приведен вид ГФ в оптическом диапазоне, а на рис.24 - осциллограммы сигнала на выходе узкополосного фильтра доплеровских частот при проходе целью участка дальности, на которую настроен гребенчатый фильтр.

Рис. 23. Оптические гребенчатые фильтры.

Анализ полученных результатов показал, что с помощью гребенчатых фильтров может осуществляться селекция целей по дальности. При этом селекция движущихся целей может производиться по доплеровской частоте известными методами фильтрации.

Экспериментальные исследования также показали, что помехоустойчивость ШРЛС с ГФ выше, чем помехоустойчивость ШРЛС с последовательной СОС. При проведении испытаний полоса частот анализируемого сигнала Df была равна 80 МГц, а время его анализа Та составляло 20 мс. При указанных параметрах сигнала значение коэффициента подавления ШРЛС с ГФ в соответствии с формулой

,

(где kr=10 - коэффициент различимости), будет равно 52 дБ. Коэффициент подавления одноканальной ШРЛС с последовательной СОС, как было показано выше, составляет 23 дБ. Поэтому при подавлении ШРЛС с последовательной СОС воздействие помехового сигнала на ШРЛС с ГФ практически не ощущалось.

Рис. 24. Осциллограммы сигнала на выходе фильтра доплеровской частоты при движении в зоне дальности действия ГФ. Здесь: а - расстояние между целями 3 м; б - расстояние между целями - 6 м; б - расстояние между целями - 6 м; в- изображение сигнала на экране запоминающего осциллографа от движущейся цели (частота настройки фильтра не совпадает с доплеровской частотой); г - изображение сигналов на экране запоминающего осциллографа, полученные от двух целей с расстоянием между целями 3 м.

Для примера на рис. 24 показаны осциллограммы сигнала на выходе фильтра доплеровской частоты при движении цели в зоне дальности действия ГФ.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили возможность и целесообразность использования ГФ для обработки сигналов в ШРЛС, соответственно и можно также сделать следующие выводы.

1. По сравнению с РЛС, в которых используются простые зондирующие сигналы, РЛС с шумоподобными сигналами имеют следующие преимущества:

- применение сложных зондирующих сигналов за счет увеличения длительности позволяет увеличить их энергию, не изменяя ширины спектра. При этом максимальная дальность действия РЛС может быть увеличена без ухудшения её разрешающей способности по дальности.

- расширение спектра зондирующего сигнала заданной длительности и фиксированной средней мощности позволяет повысить точность измерения дальности до цели и затрудняет обнаружение факта работы РЛС средствами радиотехнической разведки (РТР) противодействующей стороны.

- сложные широкополосные зондирующие сигналы позволяют улучшить разрешающую способность РЛС по дальности и скорости, что, в свою очередь приводит к повышению их помехозащищенности от распределенных пассивных помех.

2. При использовании в РЛС широкополосного зондирующего сигнала для получения аналогичных характеристик обнаружения представляется возможным излучать меньшую мощность. Так как отношение сигнал/шум на выходе устройства оптимальной обработки сигнала определяется выражением 2Е/N0, то за счет увеличения длительности сигнала требуемое значение его энергии может быть получено при меньшем значении мощности.

3. Применение широкополосных зондирующих сигналов затрудняет противнику создание эффективной заградительной шумовой помехи, так как с увеличением полосы частот помехи (при согласовании её по частоте со спектром сигнала) для создания необходимой спектральной плотности мощности помехи потребуется большая средняя мощность источника помехи.

4. При воздействии на РЛС с широкополосным зондирующим сигналом узкополосной помехи эффективным способом борьбы с такой помехой является режектирование участка спектра, пораженного этой помехой.

5. На основе анализа энергетических характеристик сигнала и помех, а также проведеной оценки помехоустойчивости шумовых РЛС со спектральной и корреляционной обработкой сигналов получено, что в ШРЛС отношение сигнал/шум определяется базой зондирующего сигнала. При этом, в зависимости от варианта построения ШРЛС, при базе сигнала, равной 106, энергетический выигрыш по сравнению с импульсными РЛС может составлять 30…40 дБ.

6. По информативности ШРЛС со спектральной обработкой сигналов не уступают ШРЛС с корреляционной обработкой сигнала, но отличаются простотой реализации. Энергетический проигрыш по сравнению с ШРЛС с корреляционной обработкой сигнала составляет: для одноканальной ШРЛС - 8,5…10 дБ; для двухканальной ШРЛС - 6 дБ; для рециркуляторной ШРЛС - 3…5 дБ.

7. Проведенные оценки показали, что при прочих равных условиях и высоких значениях вероятности обнаружения шумовые РЛС по дальности действия превосходят существующие импульсные РЛС в 1,5…2 раза и характеризуются существенно более высокой скрытностью работы.

8. Проведена оценка скрытности и помехоустойчивости импульсных и шумовых РЛС при одинаковых дальности разведки, секторе разведки и скорости сканирования ДНА по показателям "относительная скрытность" и относительная площадь разведки".

Показано, что скрытность шумовых РЛС существенно превышает скрытность импульсных. Шумовая РЛС с дальностью действия 15 км не обнаруживается средствами РТР, удаленными от нее на 5…30 км по дальним боковым лепесткам. Импульсная РЛС с такой же дальностью действия обнаруживается средствами РТР во всех случаях.

9. Получено, что в условиях воздействия активных помех с энергетическим потенциалом 105 Вт по показателю "относительная площадь разведки" шумовая РЛС в 3,5 раза превосходит импульсную.

10. Проведенные эксперименты и оценки показали, что широкополосные РЛС с шумовыми и шумоподобными сигналами с большой базой обладают существенными преимуществами перед обычными импульсными РЛС по скрытности работы и помехоустойчивости, что указывает на целесообразность их использования для решения задач различного, в том числе и оборонного назначения.

Предложения по технической реализации устройств обработки шумовых РЛС со спектральной обработкой сигналов

Известно, что применение того или иного способа обработки зондирующего сигнала в РЛС имеет свои особенности и определяется выполнением ряда требований. Применительно к РЛС разведки наземных движущихся объектов (РНДО) техническая реализация способа не должна приводить к существенному увеличению массы и габаритов аппаратуры и усложнению условий эксплуатации РЛС [16-18].

В ШРЛС РНДО с дальностью действия до 3 км для обработки сигналов может быть использован последовательный спектральный анализ. Основными элементами таких РЛС являются ВЧ и НЧ анализаторы спектра.

Оценка возможностей практической реализации указанных анализаторов в ШРЛС показала, что они могут быть изготовлены с использованием современной элементной базы при допустимых массе и габаритах.

В ШРЛС РНДО, дальность действия, которых превышает 3 км, для обработки сигналов в качестве высокочастотного анализатора спектра целесообразно использовать гребенчатые фильтры.

Существенным преимуществом ШРЛС с ГФ, по сравнению с ШРЛС с корреляционной обработкой сигналов, является возможность ее практической реализации без использования СВЧ линий задержки.

Одним из возможных вариантов реализации ШРЛС с ГФ является ШРЛС с импульсным преобразованием частоты. Однако, в дальнейшем более перспективными следует считать аналоговые многофункциональные устройства, реализуемые на основе акустооптического эффекта и цифровые устройства обработки сигналов.

Использование данных устройств обработки сигналов в ШРЛС с ГФ позволит реализовать многоканальную обработку при малом весе и габаритах.

Известно, что общее число доплеровских фильтров в НЧАС равно произведению числа дальномерных каналов на число каналов разрешения по скорости.

Так при длине волны l=8 мм и времени анализа сигнала Та= 5 мс для обнаружения целей, скорость движения которых 5…60 км/час, в каждом дальномерном канале необходимо иметь 20 доплеровских фильтров. Если число дальномерных каналов равно 1000, то общее число доплеровских фильтров будет равно 20000. Для реализации такого числа фильтров может быть использован блок цифровой обработки сигналов (БЦОС), структурная схема которого приведена на рис. 25.

Для оценки объема БЦОС были приняты следующие исходные данные:

- максимальная доплеровская частота - 5 кГц;

- динамический диапазон сигналов на входе БЦОС - 60 дБ;

- число дальномерных каналов N = 1000;

- время обработки сигналов Т0< 100 мс;

- время накопления ПЗС матрице Та= 5 мс.

Рис. 25. Блок цифровой обработки сигналов.

При выбранных параметрах время обработки сигнала в одном дальномерном канале Тоi будет равно

.

Объем выборки М определяется из выражения

Мі Та 2 fдmax=5*10-3*2 *5*103і50.

Для упрощения реализации алгоритма в процессоре БПФ объем выборки М должен быть кратным 2. Поэтому выбираем М=64.

Период дискретизации АЦП Dtд при считывании с матрицы ПЗС определяется как

.

Разрядность АЦП определяется с учетом динамического диапазона входных сигналов и для обеспечения Д=60 дБ может использован 10-ти разрядный АЦП.

В качестве коммутатора могут быть использованы аналоговые микросхемы либо коммутаторы, выполненные на цифровых интегральных микросхемах. Для совмещения режимов съема информации с матрицы ПЗС и обработки сигналов в процессоре БПФ должны использоваться две ОЗУ, объемом 640 бит.

Процессор БПФ должен выполнять 64-х точечные дискретные преобразования Фурье (ДПФ) за время, не превышающее Toi=100 мкс. Отсюда время выполнения базовой операции tбо в процессоре БПФ должно быть порядка

.

В настоящее время процессор с таким быстродействием может быть реализован в объеме 0,1 литра.

Процессор обработки информации (ПОИ) предназначен для обнаружения целей, измерения их координат и параметров по данным процессора БПФ. Время решения задачи первичной обработки информации в процессоре определяется временем обработки сигнала в одном дальномерном канале Тоi. Упрощенный алгоритм ПОИ заключается в поиске коэффициента Фурье, превышающего заданное пороговое значение, определении номера этого коэффициента и вычислении по номеру коэффициента радиальной скорости движения цели.

Ориентировочно такой алгоритм работы потребует 50…100 элементарных операций. Отсюда требования к быстродействию процессора ПОИ - 0,5-1 млн. операций в секунду. Процессор с таким быстродействием может быть реализован в объеме 0,075 литра.

Таким образом, БЦОС, предназначенный для обработки сигналов в ШРЛС, может быть реализован на современной базе в объеме 0,2 литра. Потребляемая мощность при использовании интегральных микросхем К-МОП технологии будет составлять не более 20 мВт.

Из изложенного следует, что масса и габариты рассмотренных ШРЛС, реализованных на основе современной элементной базы, по массе и габаритам в первом приближении будут существенно меньше устройств обработки существующих РЛС РНДО.

Проведенные в работе теоретические и экспериментальные исследования позволили провести оценку ожидаемых характеристик РЛС РНДО, которые приведены в табл. 6.

Оценки указанных характеристик проводились применительно к двухканальному варианту ШРЛС. Это объясняется тем, что несмотря на энергетический проигрыш (1…3 дБ) рециркуляторной ШРЛС, в таких ШРЛС реализуется квазинепрерывный режим излучения и приема зондирующего сигнала. Принцип действия рециркуляторной ШРЛС такую возможность не обеспечивает.

Из приведенных в табл. 6 данных видно, что шумовые РЛС с базой сигнала, равной 106, будут превосходить существующие РЛС РНДЦ по помехоустойчивости - на 20…25 дБ, по дальности скрытной работы - в 30…40 раз, по разрешающей способности - в 7…15 раз и отвечать современным требованиям по помехозащищенности, предъявляемым к перспективным РЛС.

Литература

1. Фадеев A.M. Шумовые радиолокационные системы, (Обзор), "Зарубежная радиоэлектроника", 1968, № 4.

2. Бульнин Л.Ф., Щербаков В.И. О возможности построения шумовых РЛС с непрерывным излучением. Вопросы спецрадиоэлектроники, серия РЛТ, 1972, вып. 14.

3. Архипов Л. И. Использование шумовых и шумоподобных сигналов в системах ближней радиолокации. Изд-во ЦНИИ научнотехнической информации и технико-экономических исследований, 1975.

4. Волжин А.Н., Кузьмичев В.Е., Кислов В.Я. и др. Способ радиолокации со спектральной обработкой сигналов. Авторское свидетельство № 792183 от 1.9.80.

5. Кузьмичев В.Е., Романовский А.С., Хачевский В.А., Якимчук Ю.В. Шумовая РЛС с селекцией движущихся целей. А.с. № 181539 от 2.12.82 г.

6. Кузьмичев В.Е., Романовский А.С., Хачевский В.А., Якимчук Ю.В. Шумовая РЛС с селекцией движущихся целей. Авторское свидетельство № 181539 от 2.12.82 г.

7. Быстров Р.П., Дмитриев В.Г., Потапов А.А., Соколов А.В. Проблемы радиолокационного обнаружения малоконтрастных объектов. / Вопросы перспективной радиолокации. Коллективная монография. Под ред. А.В. Соколова. - М.: Радиотехника, 2003. - 512 с.

8. Кузьмичев В.Е., Хачевский В.А. Шумовые РЛС со спектральной обработкой сигналов гребенчатыми фильтрами. / XII Международная конференция по спиновой электронике и гировекторной электродинамике. 19-21 декабря 2003 г., Москва (Фирсановка), - с.521-522.

9. Чапурский В. В. Широкополосные и сверхширокополосные сигналы и системы. // - М.: Сборник статей, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. - С. 114-122.

10. Чапурский В. В. Избранные задачи теории сверхширокополосных радиолокационных систем. //. - М. : Сборник статей, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, - Библиогр.: - ISBN 978-5-7038-3525-8, 2012. - с. 273-279

11. Залогин Н.Н., Калинин В.И., Скнаря А.В. Активная локация с использованием широкополосных хаотических сигналов. // Журнал «Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии», 2011. - с.3-17.

12. Калинин В.И. Спектральная интерферометрия широкополосными шумовыми сигналами. // Журнал «Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии», 2014. - с. 12-18.

13. Paulraj A.J, Gore D.A., Nabar R.U. and Bolcskei H. An overview of MIMO Communications-A key to gogabit wire less, Proc. IEEE, vol. 92, no. 2, Feb. 2004.

14. Калинин В.И. Спектральная модуляция широкополосных шумовых сигналов, - Радиотехника и электроника. 1996. Т. 41. No 4.

15. Kalinin V.I., Panas A.I., Kolesov V.V., Lyubchenko V.Ev.Ul - tra Wideband Wireless Communication on the Base of Noise Technology, MIKON-2006, Poland, Krakow, May 22-24, 2006, Conf. Proc., Vol. 2.

16. Быстров Р.П., Кузьмичев В.Е. Радиолокационное обнаружение объектов шумоподобными сигналами с большой базой. Коллективная монография. «Обнаружение и распознавание объектов радиолокации» /Под ред.А.В. Соколова. // -М.: «Радиотехника», 2007. - 175 с.

17. Быстров Р.П., Кузьмичев В.Е., Соколов А.В. Характеристики обнаружения шумовых РЛС. // Труды XV Международной конференции по спиновой электронике и гировекторной электродинамике, 2007. - с. 104-106.

18. Ксендзюк А. В. Использование шумоподобных сигналов в радиолокационных системах дистанционного зондирования, «Электромагнитные волны и электронные системы».№ 9-10 2004 г. - с. 11-18.

Аннотация

Рассматриваются в сравнении методы спектральной и корреляционной обработки шумовых сигналов и делается их оценка применительно к шумовым РЛС (ШРЛС) обнаружения наземных объектов. Приводятся результаты моделирования процессов обнаружения и селекции объектов шумовыми РЛС, а также результаты лабораторных испытаний однокнальной и рециркулярной шумовых РЛС с последовательным спектральным анализом. Получены результаты натурных испытаний одноканальной и двухканальной ШРЛС на макете сантиметрового диапазона радиоволн. С использованием макета на длине волны 3 см проведена оценка дальности действия ШРЛС и других энергетических параметров. Обосновываются предложения по возможной реализации устройств обработки ШРЛС со спектральной обработкой сигналов.

Ключевые слова: обработка сигналов, шумовой сигнал, методы обработки, спектр сигнала, наземный объект, обнаружение объекта, корреляционный метод, спектральный метод, зондирующий сигнал, диапазон радиоволн, одноканальная РЛС, движущейся объект, эксперимент, гребенчатый фильтр, помехоустойчивость, линия задержки.

This paper compared the methods of spectral and correlation methods of noise signal processing and made their assessment in relation to noise radar (NR) detection of ground objects. The paper represents the simulation results of processes of acquisition and object selection in noise radars, as well as the results of laboratory tests in single-channel and recirculating noise radar with sequential spectral analysis. The results of field tests with single-and dual NR are obtained on the layout in centimeter wavelengths. Using the layout at a wavelength of 3 cm the range of NR and other energy parameters are estimated. The proposals for possible implementation of the processing devices in NR with spectral signal processing, are justified.

Keywords: signal processing, noise signal, processing methods, object detection, correlation method, spectral method, single-channel radar system, comb filter, noise immunity, delay line.

Размещено на Allbest.ru