3.13 Когерентне накопичення радіолокаційних сигналів

3.13.1 Оптимальна і квазіоптимальна фільтрація когерентних послідовностей імпульсних сигналів

Когерентні послідовності радіоімпульсних сигналів можуть бути піддані як оптимальній, так і квазіоптимальній фільтрації.

На основі взаємної відповідності оптимальних фільтрів для радіосигналу і його огинаючої і структури оптимального фільтру для послідовності відеоімпульсів одержимо структурну схему оптимального фільтру для послідовності радіоімпульсів (рис.3.79), на якому радіочастотний оптимальний фільтр для одиночного сигналу скорочено позначений РОФОС. На рис.3.79 і рис.3.80 показані структурні схеми оптимальної і квазіоптимальної фільтрації когерентних послідовностей радіоімпульсних сигналів.

Основна схема здійснення цієї схеми полягає у виконанні пристрою затримки на час tз = (N - 1)·T з N - 2 відведеннями, смугою DF = 2/t із стабільністю затримки Dtз << Tо = 1/fо, де fо - несуча частота затримуваних коливань (15-20 Мгц і більш).

Рис.3.79. Структурна схема оптимальної фільтрації когерентних послідовностей радіоімпульсних сигналів

Якщо, наприклад, Т = 1мс, N = 20 і t = 1 мкс, то tз = 0,019 з, число відведень - 18, смуга - 2 Мгц, а нестабільність Dtз »5 нс. Такі високі вимоги до стабільності затримки затримуючого пристрою і його елементів пояснюються тим, що в даному фільтрі повинне відбуватися синфазне складання коливань, яке можуть порушити температурні нестабільності пристрої затримки. Тому для нормальної роботи фільтру нестабільності повинне бути багато менше періоду коливання несучої частоти.

У оптимальних фільтрах для послідовності відеоімпульсів вимоги до стабільності елементів пристрою затримки значно легші. Оскільки складання імпульсів відбувається на відеочастоті, то для нормального функціонування фільтру досить взаємного тимчасового перекриття підсумовуваних імпульсів, що виконується при умові: Dtз < t1, де t1 - тривалість підсумовуваних імпульсів, яка має порядок мікросекунди. Проте виконання навіть цієї умови вимагає вживання спеціальних заходів по стабілізації часу затримки затримуючого пристрою шляхом термостатування.

Декілька спрощується реалізація пристрою когерентної обробки послідовності радіоімпульсів, якщо замінити ідеальний радіочастотний накопичувач радіочастотним рециркулятором (рис.3.80),. Проте здійснення і такого пристрою з нестабільностями, багато меншими періоду несучого коливання, - вельми складна і практична нездійсненна задача.

Рис.3.80. Структурна схема квазіоптимальної фільтрації когерентних послідовностей радіоімпульсних сигналів

Таким чином, в цьому і полягає головний недолік оптимальних фільтрів для когерентних послідовностей радіоімпульсів і взагалі фільтрового методу їх оптимальної обробки.

3.13.2 Кореляційно-фільтрова обробка когерентної послідовності радіоімпульсів

Відомо, що оптимальне виявлення сигналу s1 = V1(t) cos (wot + j) на фоні білого шуму зводиться до обчислення кореляційного інтеграла

тобто до перемножування коливання u1(t), що приймається, на очікуваний сигнал і інтеграції одержаного твору.

Це обчислення може бути вироблене або безпосередньо за допомогою перемножувача і інтегратора (кореляційний метод), або за допомогою оптимального цьому сигналу фільтру (фільтрової метод), або за допомогою кореляційно-фільтрового методу. При одному з варіантів його застосування множення коливання, що приймається, на несуче cos(wot·j) виробляється когерентному детекторі (КГД), керованому вказаним коливанням і перетворюючому коливання, що приймається, у відеочастотне. Фільтрація останнього здійснюється за допомогою оптимального фільтру (ОФ), побудованого для відеочастотної огинаючої сигналу V1(t) і працюючого на відеочастоті (рис.3.81,а), унаслідок чого істотно спрощується його здійснення.

На рис.3.81 показані різні структурні схеми кореляційно-фільтрової обробки когерентних послідовностей радіоімпульсних сигналів.

Рис.3.81. Структурні схеми кореляційно-фільтрової обробки когерентних послідовностей радіоімпульсних сигналів

Якщо сигнал, що приймається, є послідовністю радіоімпульсів, то ОФ для його відеочастотної огинаючої складається з оптимального фільтру для одиночного відеоімпульсного сигналу ОФОС і оптимального фільтру для огинаючої послідовності імпульсів ОФОП (ідеального накопичувача), які розташовуються після КГД (рис.3.81,б). Але при такій побудові системи обробки когерентний детектор працює в тяжких умовах, оскільки на його вхід поступають не тільки слабкі сигнали, але і білий шум з його теоретично необмеженою потужністю, а також інші перешкоди. Щоб полегшити його роботу, оптимальний фільтр для одиночного імпульсу переносять з відеотракту в радіотракт і, перетворюючи його в радіочастотний РОФОС, ставлять перед когерентному детектором КГД (рис.3.81,в). Зважаючи на лінійність когерентного детектора і фільтру схеми на рис.3.81,б і рис.3.81,в повністю еквівалентні.

При випадковій початковій фазі система оптимальної обробки має два канали (рис.3.81,г) квадратури, як і структурна схема оптимального виявлення такого сигналу. Двохканальною є і структурна схема квазіоптимальної обробки даного сигналу (рис.3.81,д), на якому накопичувальний пристрій скорочено позначений НУ.

Розглянемо ще одну можливість кореляційно-фільтрового методу при оптимальній обробці когерентної послідовності радіоімпульсних сигналів. Для цього представимо згадану послідовність s1(t) у вигляді твору радіоімпульсу s(t), тривалість якого рівна тривалості NT послідовності, і необмеженої періодичної послідовності f(t) відеоімпульсів, тривалість і період повторення яких рівні відповідно тривалості і періоду повторення радіоімпульсів послідовності.

На рис.3.82 показано представлення когерентної послідовності радіоімпульсів добутком двох функцій (а) і тимчасові діаграми напруг (б) в системі, представленій на рис.3.83.

Тому обчислення кореляційного інтеграла

можна виробити перемножуванням коливання u1(t), що приймається, на стробуючу функцію f(t) і фільтрації в оптимальному фільтрі для сигналу s(t). Вказане перемножування виконується в тимчасовому селекторі ВС, керованому селекторними імпульсами, які відтворюють стробуючу функцію f(t) і виробляються генератором селекторних імпульсів ГСІ (рис.3.83).

У цій схемі коливання, що приймається, стробується тимчасовим селектором, проникним ті його частини, які співпадають з сигналом, і що виключає всі інші, які можуть складатися лише з шумів і перешкод. Радіоімпульси, що утворилися таким чином, поступають в оптимальний фільтр, що розтягує їх до тривалості NT, унаслідок чого вони накладаються один на одного і когерентно підсумовуються (рис.3.82,б).

На практиці оптимальний фільтр для радіоімпульсу s(t) замінюється квазіоптимальним фільтром із смугою пропускання DF = 0,4/NT. Головна гідність даної системи обробки полягає у відсутності пристрою затримки на квазіперіод повторення радіоімпульсів сигналу, що може значно спростити її реалізацію.

Проте, як і всяка система із змінними параметрами, вона не володіє інваріантністю по відношенню до часу приходу сигналу, бо в ній оптимально обробляються лише імпульсні сигнали, співпадаючі з селекторними імпульсами. Тому для обробки імпульсних сигналів з наперед невідомим часом приходу доводиться виконувати схему багатоканальної, в якій канали розрізняються лише тимчасовим положенням селекторних імпульсів. Це ускладнює і здорожує схему, знижує її надійність.

Рис.3.82. Представлення когерентної послідовності радіоімпульсів твором двох функцій (а) і тимчасові діаграми напруг (б) в системі

Рис.3.83

Дані схеми вимагають точного знання частоти несучого коливання. Остання звичайно відома в системі обробки сигналів, відображених тільки від нерухомих об'єктів.