Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
283
Добавлен:
05.03.2016
Размер:
99.84 Кб
Скачать

3.14 Некогерентне накопичення радіолокаційних сигналів

У більшості існуючих РЛС використовують, разом з когерентними, некогерентні імпульси. Принципи побудови оптимальних приймачів перших були розглянуті в попередньому підрозділі, де було показано, що когерентне накопичення імпульсних сигналів, особливо від рухомих об'єктів, вимагає значного ускладнення систем обробки і подолання великих труднощів. У зв'язку з цим іноді доводиться відмовлятися від побудови когерентних систем обробки (наприклад, когерентних накопичувачів) і замінювати їх простішими некогерентними накопичувачами. Оптимальна обробка некогерентних імпульсів іменується некогерентною.

Некогерентний прийом сигналів є єдино можливим, якщо послідовність імпульсних сигналів, що приймається, не є когерентною.

3.14.1 Загальні відомості про оптимальну обробку некогерентної пачки імпульсів

Некогерентними називають сигнали, фазову структуру яких не можна вважати закономірною. Прикладом некогерентного сигналу є пачка радіоімпульсів, якщо початкові фази кожного їх їх випадкові. Такого вигляду сигнали часто зустрічаються в оглядових РЛС. Форма огинаючої і число імпульсів в пачці залежать від виду ДН передаючої і приймальної антен і швидкості огляду простору. Початкові фази окремих радіоімпульсів (високої або проміжної частоти), що приймаються, - звичайно незалежні випадкові величини. Через випадковість початкових фаз, когерентне накопичення можливе лише в межах кожного з одиночних радіоімпульсів. Накопичення ж від імпульсу до імпульсу може бути тільки післядетекторним - некогерентним.

Відомо, що сигнал на виході оптимального приймача максимальний при тимчасовому зрушенні між сигналом і опорною напругою при t=0. В цьому випадку функція кореляції сигналу тобто для оптимальної обробки сигналу його необхідно звести в квадрат і проінтегрувати.

При великому перевищенні сигналу над шумом як фільтр, близький до узгодженого, можуть використовуватися схема з квадратичною характеристикою (квадратичний детектор) і інтегратор (рис.3.87).

Рис.3.87. Схема некогерентного накопичення.

У даній схемі накопичення сигналів здійснюється після амплітудного (некогерентного) детектора, тому її називають схемою некогерентного накопичення сигналу. В результаті такого накопичення залишається інформація, що міститься тільки в амплітуді сигналу і повністю відкидається інформація про його фазові значення, порогові сигнали при цьому накопиченні вищі, ніж при когерентному. Унаслідок ігнорування фазової інформації при некогерентному накопиченні безповоротно втрачається інформація про радіальну швидкість об'єкту, що відобразив сигнал.

Після детектора виділяється послідовність відеоімпульсів мети і практично безперервний шум. Щоб в інтеграторі не накопичувалися шуми в перервах надходження сигналу, він повинен підключатися на вихід детектора тільки на час дії сигналу. Оскільки дальність до цілей невідома і цілей може бути декілька, то інтегратор повинен бути багатоканальним по дальності і інтегрувати сигнали, що поступають з однаковим запізнюванням, у всіх періодах повторення імпульсів. Як подібні інтегратори використовують лінії затримки з відведеннями, гребінчасті фільтри, потенціалоскопи, а також різні пристрої стробує і запам'ятовування. Проте найчастіше при некогерентній обробці не дуже великої послідовності імпульсів роль інтегратора виконує індикатор і око оператора. Нижче буде детально розглянута схема з інтегратором на ЛЗ.

Схема оптимального приймача, що містить пристрій накопичення після детектора, зображено на рис.3.87.

На рис.3.88 показані епюри напруги, що характеризують процеси в системі обробки пачки сигналів з невідомою початковою фазою.

На рис.3.88,а показані три вхідні високочастотні сигнали з незалежними початковими фазами. Незалежність фаз сигналів полягає у тому, що якщо будь-який з сигналів продовжити в часі так, як це пунктиром зроблено з першим сигналом, то фази напруг інших сигналів з ним не співпадуть. Саме з цієї причини сигнали не можна підсумовувати до детектора.

Рис.3.88. Послідовність накопичення некогерентних сигналів.

Рис.3.88,б показує напругу на виході фільтру при дії сигналів. На рис.3.88,в зображені огинаючі напруги сигналів у фільтрі, одержані після детектора. Ці огинаючі поєднуються за часом і підсумовуються. Найбільший пік, одержуваний при підсумовуванні, показаний на рис.3.88,г.

Найбільше значення вихідної напруги в накопичувальному пристрої (Uвых) мах в три рази (при трьох сигналах) перевищує максимум огинаючої окремого сигналу. Порівняння з порогом виробляється поблизу моменту tо (період в/ч коливань Те у багато разів менше тривалості сигналів при найбільшому відношенні с/ш перед пороговим пристроєм).

Значення (Uвых) мах пропорційне сумі енергії сигналів:

де aдет - коефіцієнт втрат в детекторі.

Тому всі розрахунки при виявленні сигналів з невідомою фазою можна вести, використовуючи уявлення про сумарну енергію сигналів qоР, що поступають на вхід приймача з урахуванням втрат в детекторі.

Звичайно розглядаються дві найпростіші в розрахунковому відношенні моделі таких пачок: без флюктуацій і з незалежними флюктуаціями амплітуд імпульсів.

У обох випадках запис очікуваного сигналу має вигляд

(3.52)

Огинаючі Xi(t) окремих імпульсів вважаються тими, що не перекриваються. Початкові фази bi вважаються незалежними випадковими величинами, рівномірно розподілених від 0 до 2p. Амплітудні множники B1,B2,… тотожно прирівнюються до одиниці для моделі нефлюктуючої пачки, причому флюктуації амплітуди кожного імпульсу вважаються релєєвськими.

Звичайно комплексні амплітуди всіх очікуваних імпульсів пачки Xi(t) відповідають одному і тому ж закону модуляції Xo(t). Вони розрізняються тільки:

моментами приходу імпульсів ti, залежними від моментів зондування і дальності;

невипадковими множниками Si, залежними від форми огинаючої пачки і кутової координати.

Тому всі модульні значення кореляційного інтеграла

(3.53)

пропорційні амплітудам деяких однотипно одержаних відеоімпульсів Zoi. Останні можуть бути зняті з виходу єдиного каналу прийому послідовно в часі. Достатньо, щоб цей канал містив схему когерентної обробки для очікуваного сигналу Xoi (зокрема, оптимальний фільтр) і лінійний детектор.

Щоб одержати далі квадрати амплітуд Z2oi, замінимий в цьому каналі лінійний детектор квадратичним. Даний канал прийому обробляє коливання, що приходять, без урахування очікуваної форми огинаючої пачки радіоімпульсів і не забезпечує післядетекторного підсумовування. Воно повинне бути проведене додатково, як це показано на епюрах (рис.3.89), при цьому в процесі підсумовування вводяться відповідні вагові множники.

На рис.3.89 показані: а) - схема оптимальної обробки некогерентної пачки радіоімпульсів і б) - процес зваженого послідовного накопичення при М = 5.

Рис.3.89. Схема оптимальної обробки некогерентної пачки радіоімпульсів (а) і процес зваженого послідовного накопичення при М = 5 (б).

У разі слабкої флюктуючої пачки, коли оптимальний квадратичний детектор, післядетекторне підсумовування імпульсів виробляється з ваговими коефіцієнтами Кi = S2i.

У разі нефлюктуючої пачки імпульсів великої амплітуди оптимальний лінійний детектор і післядетекторне підсумовування виробляється з ваговими коефіцієнтами Кi = Si.

Нарешті, у разі флюктуючої пачки (дружно флюктуючої) оптимальний квадратичний детектор і післядетекторне підсумовування виробляється з ваговими коефіцієнтами

Кi = S2i/(S2i+2/q2о) (3.54)

де q2о = 2Ес/Nо - відношення сигнал/шум для імпульсу з ваговим коефіцієнтом 1, середня енергія якого рівна Ес.

Таким чином, в накопичувачі некогерентної пачки імпульсів унаслідок випадковості початкової фази кожного з імпульсів пачки здійснити безпосереднє підсумовування радіоімпульсів не представляється можливим. Тому операції накопичення передують детектування сигналу. Одержані за допомогою амплітудного детектора відеоімпульси синхронно підсумовуються в суматорі.

До некогерентного накопичувача пред'являються менш жорсткі вимоги до точності і стабільності. Оскільки на виході узгодженого фільтру (УПЧ) встановлюється амплітудний детектор (ПЕКЛО), те співвідношення фаз імпульсів сигналу, що приймається, і гетеродина не має значення. Тому спрощуються вимоги до стабільності частоти місцевого гетеродина (орієнтовно на три порядки нижче, ніж в когерентному накопичувачі). Відходи частоти гетеродина в цьому випадку повинні бути малими в порівнянні з шириною смуги пропускання приймача. Разом з тим некогерентним накопичувачам властиві істотні недоліки. У них втрачається інформація про швидкість руху цілей. Крім того, вони володіють нижчою чутливістю в порівнянні з когерентними.

Характеристики виявлення некогерентних сигналів. Якщо на вході амплітудного детектора діють суміш сигналу і шуму, миттєві значення, яких розподілені по нормальному закону, то на виході миттєві значення будуть розподілені по узагальненому закону Релея (а за відсутності сигналу за законом Релея).

Для слабкого сигналу, коли детектування квадратичне, необхідно знайти закон розподілу квадрата огинаючої. Після проходження накопичувача закон розподілу міняється складним чином. Проте, оскільки частотна характеристика накопичувача є гребінчастій з достатньо вузькими смугами прозорості, то при дії більш широкосмугових (чим зуби гребінчастого фільтру) перешкод розподіл вихідної напруги робиться близьким до нормального (на обличчя нормалізація випадкового процесу при проходженні через узкополосний фільтр).

Таким чином, знаючи густину вірогідності амплітуд за наявності і відсутності вхідного сигналу, можна шляхом інтеграції від порогового значення до безкінечності перейти до умовної вірогідності правильного виявлення і помилкової тривоги і оцінити виграш некогерентного накопичення пачки імпульсів в порівнянні з прийомом одного з цих імпульсів, а також порівняти некогерентне накопичення з когерентним.

Наявність нелінійних елементів в тракті приймача, оптимального для виявлення сигналу з невідомою початковою фазою, приводить до істотного погіршення робочих характеристик при прийомі пачки сигналів. Підсумовувати сигнали до системи обробки не можна, оскільки вони мають випадкову початкову фазу. Отже, накопичення можливе лише після схеми з нелінійним елементом. А в нелінійному елементі може мати місце зменшення відношення сигнал/шум, що приведе до зниження ефективності накопичення сигналів перед пороговим пристроєм. Покажемо це.

Хай на вході детектора має місце відношення с/ш по напрузі

(3.55)

а вхідна напруга Uвх = Uс + sш. Допустимо, що характеристика детектора апроксимується квадратичною параболою Uвых = а·Uвх2.

Тоді вихідна напруга детектора можна представити як

Uвых = а·(Uс2 + 2Uс·ш + ш2).

У вихідній напрузі всі складові, що містять випадкову компоненту, віднесемо до шуму. При цьому відношення с/ш по напрузі після детектора буде

UвыхС / UвыхШ = Uс2/(2Uс·ш + ш2). (3.56)

Припустимо, що на вході приймача має місце велике перевищення сигналу над шумом, тобто qo >> 1 і Uс >> sш. Тоді можна покласти

ш2  2Uс·ш

і вважати.

UвыхС/ UвыхШUс2/(2Uс·ш) = Uс/(2ш),

а якщо sш2 >> 2Uсsш, то UвыхС/UвыхШ » (Uс/sш) 2, і детектор різко погіршує відношення сигналу до шуму. Наприклад, якщо відношення с/ш до детектора складає 0,1, то після детектора воно буде вже 0,01. Це зменшення відношення с/ш називають втратами в детекторі. Для того, щоб компенсувати зменшення с/ш після детектора, доводиться збільшувати відношення с/ш на вході приймача.

Необхідне збільшення qo характеризується коефіцієнтом втрат в детекторі

дет = qo дет/qo , (3.57)

де qo подітий - відношення с/ш на вході приймача (з урахуванням втрат в детекторі), забезпечуюче задане відношення с/ш по напрузі перед пороговим пристроєм, qo - відношення с/ш, необхідне за відсутності втрат в детекторі.

Якщо виявлення ведеться по пачці з N сигналів і відповідно до робочих характеристик приймача вимагається забезпечити відношення с/ш на вході приймача qoР, то з урахуванням втрат в детекторі відношення с/ш одиночного сигналу повинне складати

qo1 = qдет/N. (3.58)

На рис.3.90 приведена розрахункова крива, що дозволяє визначити коефіцієнт втрат в детекторі (при Рпо = 0.5 і Рлт = 10-10). Цей графік достатньо точний для значень qoР від 20 до 100.

Рис.3.90. Втрати порогової енергії одиночного імпульсу при некогерентному накопиченні в порівнянні з когерентним.

Таким чином, через випадковий характер початкової фази радіоімпульсів їх спектр повторює спектр одиночних радіоімпульсів. Тому в радіочастотному каналі приймача (до амплітудного детектора) використовують тільки радіочастотний фільтр, узгоджений з одиночними імпульсами пачки. Межперіодная обробка здійснюється тільки за допомогою відеочастотного накопичувача після звичного ПЕКЛО, яке виділяє огинаючу. Такий накопичувач і називають некогерентним.

Соседние файлы в папке 2 Приймач