УЧЕБНИК САРП100

ГЛАВА VI. ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ В ЦИФРОВЫХ СУДОВЫХ РЛС И ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ НАВИГАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕЛИ

6.1. Общие принципы построения цифровых РЛС

Судовая РЛС состоит из трех основных функциональных устройств:

•приемопередатчик;

•антенно-волноводный тракт;

•компьютерный индикатор.

Антенна совместно с поворотным устройством и устройством съема угла поворота антенны конструктивно выполняется в виде отдельного модуля и размещается на специальной площадке судовой мачты. Приемо-передатчик конструктивно оформляется отдельно от стойки компьютерного индикатора.

В последних модификациях судовых РЛС приемопередатчик размещается совместно с антенной в устройстве сканирования. В этом случае отсутствует потеря мощности при канализации ее по антенно-волноводному тракту, которая достигает до 50%. Успехи в области микроминиатюризации позволили уменьшить массо-габаритные характеристики ан- тенно-приемопередающего сканирующего устройства до приемлемых величин.

Отраженные от целей зондирующие сигналы по коаксиальному кабелю поступают в стойку компьютерного индикатора с выхода детектора приемника для последующей первичной и вторичной обработки. Управление приемопередатчиком осуществляется дистанционно.

Недостаток такого конструктивного деления аппаратуры лишь один: более жесткие климатические и механические условия работы приемо-передатчика, размещенного совместно с антенной.

Аналоговая информация с выхода детектора приемника преобразуется в цифровую форму и поступает на устройство обнаружения целей, измерения и вычисления навигационных параметров целей: дистанции, азимута, скорости и др.

171

Задачи внутриимпульсной фильтрации сигналов в приемнике, преобразование аналоговой информации в цифровую, обнаружение сигналов, измерение параметров сигналов решаются в реальном масштабе времени и носят название задач первичной обработки информации.

Задачи преобразования полярных координат в прямоугольные или геодезические, задача определения сближения цели с собственным судном, формирование синтезированного изображения на экране ЭЛТ, отображение электронных карт регионов относятся к задачам вторичной обработки информации, которые могут решаться с некоторой задержкой во времени.

Компьютерный индикатор представляет собой многопроцессорное вычислительное устройство. Так, например, задачи первичной обработки выполняет первичный процессор, задачи вторичной обработки – вторичный процессор, а задачи формирования изображения – видеопроцессор дисплея. В ряде устройств число процессоров более трех.

Алгоритмы решения задач первичной и вторичной обработки являются know how. Фирмы-производители судовых РЛС структурные и принципиальные схемы аппаратуры, а также алгоритмы обработки не публикуют.

Процессоры первичной и вторичной обработки информации после одного поворота антенны формируют так называемое «сырое» изображение, а в результате накопления данных после нескольких поворотов антенны – синтезированное изображение, которое с заданной тактовой частотой может запрашиваться процессором дисплея и поступать на экран дисплея.

Синтезированное изображение по сравнению с «сырым» радиолокационным изображением обладает рядом преимуществ, позволяющих:

•производить сравнение временных разверток при каждом последующем обороте антенны и подавлять ложные цели;

•оптимизировать яркость свечения при приеме сильных

ислабых сигналов;

172

• обеспечивать постоянную яркость разверток на всех шкалах дальности, создавая тем самым индикаторы повышенной яркости или индикаторы дневного света.

В индикаторах с синтезированным изображением информация об обнаруженных целях за каждый оборот антенны хранится в регистрах процессора. Путем сравнения записанных эхо-сигналов на регистрах друг с другом удается по выбранному критерию исключить ложные цели от истинных целей. Далее, т. к. всем истинным эхо-сигналам разной интенсивности присваиваются в регистрах памяти логические «1», все сигналы могут отображаться на экране с одинаковой яркостью. Возможно использование других схем, позволяющих воспроизводить синтезированное изображение с несколькими уровнями яркости.

И, наконец, синтезированная информация воспроизводится на экране с постоянным тактом независимо от частоты следования зондирующих импульсов, которая выбирается разной на разных шкалах дальностей. Принятые меры позволяют повысить яркость изображения и наблюдать его на экране ЭЛТ без тубуса при дневном освещении.

6.2. Методы преобразования аналоговой информации в цифровую форму

Отраженные сигналы от точечных целей занимают одну из разрешающих площадей (или объемов), а от протяженных целей – несколько примыкающих друг к другу разрешающих площадей (объемов).

Каждый отраженный сигнал от цели должен быть обнаружен с максимальной вероятностью правильного обнаружения и с минимальной вероятностью ложного обнаружения сигнала. Задача оптимизации вероятностей решается путем увеличения отношения сигнал – шум на выходе амплитудного детектора и путем рационального выбора порогового уровня на выходе схемы обработки пачки импульсов. Превышение порогового уровня свидетельствует о наличии цели, непревышение – о ее отсутствии.

173

Для повышения отношения сигнал – шум используется так называемая внутриимпульсная обработка сигналов. Внутриимпульсная обработка производится путем фильтрации каждого импульса в линейном приемном тракте, межпериодная обработка – путем накопления энергии сигнала от пачки импульсов.

Практически фильтрация одиночных импульсов осуществляется в тракте УПЧ приемника фильтрами с полосой пропускания f ≥1/τи .

Сигнал на выходе детектора огибающей в цифровых РЛС преобразуется в цифровую форму. Преобразование производится в два этапа.

На первом этапе непрерывный аналоговый сигнал заменяется последовательностью выборок в дискретном ряде точек временной шкалы на заданной дистанции. Для однозначного представления сигнала, в соответствии с теоремой Котельникова, необходимо, чтобы последовательность выборок

отстояла друг от друга на интервал времени tд ≤ 2 1fc , где

fc – ширина частотного спектра сигнала на выходе детекто-

ра.

На втором этапе производится квантование сигнала. В процессе квантования последовательность выборок преобразуется в последовательность двоичных кодовых слов. Операции дискретизации и квантования производятся с помощью анало- го–цифровых преобразователей (АЦП).

Квантование взятых выборок по амплитуде обычно производится либо с помощью 8-разрядных преобразователей АЦП, либо с помощью двоичных (бинарных) квантователей. В последнем случае происходит потеря помехозащищенности устройства обнаружения сигналов, но эта потеря окупается простотой реализации.

В случае использования 8-разрядного преобразователя сигнал квантуется по амплитуде так, чтобы цена младшего разряда не превышала среднеквадратической величины шума

174

σN. При бинарном квантовании порог квантования выбирается на уровне 1,785σN.

Вреальных условиях работы РЛС величина σN неизвестна. Поэтому расчет производится исходя из наихудшего ожидаемого уровня шума.

Вглаве IV приведены структурные схемы различных устройств внутриимпульснойи межпериоднойобработки сигналов, а также оптимальные алгоритмы обнаружения сигналов при разных распределениях вероятности огибающей смеси сигнала с шумом.

6.3.Структурная схема бинарного обнаружителя целей

вдвижущемся «окне» на одном дискрете дальности

На рис. 6.1 приведена структурная схема бинарного обнаружителя целей в движущемся азимутальном «окне» на одном дискрете дальности.

Бинарно-квантованные сигналы на данном дискрете дальности с выхода детектора приемника поступают на входы регистров сдвига и реверсивного счетчика. Число разрядов N регистра сдвига выбирается равным числу импульсов в пачке, число разрядов реверсивного счетчикаr определяетсяиз соотношения N = 2r .

Рис. 6.1

Если число импульсов в пачке равно 8, то последовательность чисел, записанных по суммирующему входу в реверсивный счетчик до заполнения регистра сдвига, будет 1, 2,

175

3, 4, 5, 6, 7, 8. После заполнения регистра сдвига с выхода регистра единицы будут поступать на вычитающий вход реверсивного счетчика и последовательность записанных чисел в реверсивном счетчике будет 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0. Записанные числа в реверсивном счетчике сравниваются в цифровом компараторе с пороговым числом. Если порог установлен в виде числа 4, то сигнал обнаружения поступит в момент, соответствующий середине пачки импульсов.

Рассмотренная схема позволяет последовательно обнаруживать все цели на всех направлениях на фиксированном дискрете дальности.

Наиболее распространенными алгоритмами являются так называемые программные обнаружители целей, фиксирующие на ширине движущегося «окна» плотность единиц на выходе бинарного преобразователя в дискретном ряде точек временной шкалы. Начало пачки определяется по наличию l единиц на ширине движущегося «окна», где l≤N (критерий «l из N»,

или «l/N»).

Протяженные объекты по дальности определяются по наличию l единиц на m смежных (по дистанции) позициям дискретизации.

Конец пачки для точечных и протяженных целей определяется по наличию серий из k нулей подряд (k = 2, 3…). Наиболее широко используется критерий «три нуля подряд» в шести последовательных обзорах.

6.4. Обобщенная структурная схема бинарного обнаружителя целей на всех дискретах дальности

На рис. 6.2 приведена обобщенная структурная схема устройства первичной обработки – бинарного обнаружителя целей с использованием движущихся «окон» на всех дискретах дальности.

Информация обрабатывается после бинарного преобразователя на выходе детектора приемника цифровыми методами.

Схема называется обобщенной, т. к. существуют десятки цифровых схем обработки сигналов, которые отличаются друг от друга. Однако, в основе каждой из схем используются общие

176

принципы построения на основе регистров дальности и движущихся«окон».

Рис. 6.2

Для конкретизации рассмотрения схемы будем считать, что максимальная дальность РЛС–D = 80 км, длительность зондирующих импульсов τи=1 мкс, частота следования импульсов F = 1800 Гц.

Дистанция D = 80 км соответствует временному интервалу

	T =		D	,
		150
	где T (мкс), D (м).
	В рассматриваемом случае		T = 533мкс.

Будем считать, что полоса пропускания УПЧ согласована с длительностью импульса. Тогда на выходе УПЧ длительность импульса равна 2τи, т. е. 2 мкс.

Напряжение на выходе детектора Uдет (рис. 6.3а) подается на бинарный квантователь, преобразующий аналоговое напряжение

177

в двухуровневое напряжение U1,0 в виде единиц и нулей, причем нуль формируется, если напряжение ниже порогового уровня бинарного квантователя Uпор , а единица –превышает этот уровень

(рис. 6.3б).

Рис. 6.3

Цифровая последовательность стробируется периодической последовательностью импульсов Uпосл с частотой 1 МГц (рис. 6.3в). Частота выбрана таким образом, чтобы в интервале времени существования импульсного сигнала хотя бы один стробирующий импульс совпадал во времени с телом сигнала. На выходе стробирующей схемы получаем последовательность единиц и нулей (рис. 6.3г). При частоте 1 МГц дискретность измерения дальности равна 150 м.

Последовательность единиц и нулей с частотой 1 МГц подается на 533-битовый регистр сдвига дальности (рис. 6.2). Каждому биту регистра соответствует один дискрет. Регистр запускается задним фронтом зондирующего импульса (в момент открытия приемника).

До начала прихода следующего зондирующего импульса весь регистр дальности заполнится. После заполнения регистра сдвига результат стробирования сигнала первым стробирующим импульсом будет находиться в 533 бите регистра. Число единиц в битах регистра свидетельствует о числе обнаруженных целей. При этом следует учитывать, что в результате действия помех некоторые обнаруженные цели могут быть ложными, а часть истинных целей может быть не обнаружена.

178

Так, если цель зарегистрирована в n-ом бите (счет номера от конца регистра), то дистанция до цели Dц (м) определится в виде

Dц=150 n.

Через 533 мкс после начала заполнения регистра с помощью устройства поочередной записи записанные дальности до целей из регистра дальности переписываются в 1-ый регистр промежуточного результата.

После окончания перезаписи производится сброс показаний регистра дальности.

С приходом следующего зондирующего импульса начинается новое заполнение регистра дальности.

Регистрация целей в битах регистра при новой записи в общем случае не соответствует предыдущей из-за случайного действия помех, из-за движения целей и из-за перемещения антенны по азимуту. Операция перезаписи повторяется: показания из 1-го регистра промежуточного результата переписывается во 2-ой регистр промежуточного результата, а из регистра дальности – в первый регистр промежуточного результата.

Наконец, в третий раз после такой же перезаписи данными оказываются заполненными все три регистра промежуточного результата и после анализа данных переписываются в регистр результата.

Число регистров промежуточного результата целесообразно выбирать равным числу импульсов в пачке. В рассматриваемом случае число регистров равно 3.

Происходит по-битовое сравнение записанных результатов во всех трех промежуточных регистрах. Сравнение производится по критериям 2 из 3-х, т. е. в соответствующие биты регистра результата записываются лишь те цели, которые зарегистрированы в тех же битах хотя бы в двух регистрах промежуточного результата.

Регистры промежуточного результата выполняют роль следящих «окон» одновременно на всех дистанциях.

Обнаруженные цели, записанные в соответствующие биты регистра результата, после пересчета с учетом дискрета даль-

179

ности заполняют информационную часть устройства памяти процессора первичной обработки информации. Одновременно с записью дальностей до целей производится снятие показаний преобразователя угол-код, который установлен на оси вращения антенны.

Если преобразователь 9-разрядный, то показания азимута снимаются с дисретом 0,7о. Снятые показания азимута записываются в адресную часть устройства памяти. Таким образом, в устройстве памяти процессора за время одного оборота антенны будет записана информация о дальностях до целей, расположенных на удалениях до 80 км, на всех азимутах с дискретом 0.7о.

За время нескольких оборотов антенны с целью получения информации о целях с большей достоверностью может производиться по выбранному критерию дополнительная проверка истинности обнаруженных целей. Окончательно координаты каждой цели X, Y записываются в память процессора после пересчета:

X = Dsin α;

Y = Dcosα, (6.1)

где D – дистанция до цели; α – азимут на цель.

Процессор видеодисплея опрашивает память и отображает цели на экране дисплея в виде синтезированной картины.

В некоторых судовых радиолокаторах напряжение на выходе детектора приемника квантуется не двумя уровнями (1 и 0), а несколькими уровнями, например, на 256 уровней с помощью 8-разрядного преобразователя напряжение-код.

Структурная схема устройства цифровой обработки при квантовании на несколько уровней подобна выше рассмотренной с той лишь разницей, что в результате стробирования имеем не 1 бит, а 1 байт информации (1 байт равен 8 битам), которая записывается в соответствующие ячейки памяти. Схема в случае использования 8-ми разрядного преобразователя обладает лучшей помехозащищенностью.

Устройство цифровой обработки выполняется в виде отдельной платы на больших и сверхбольших интегральных схемах. При этом следует учитывать, что часть узлов струк-

180