3.13.3 Когерентне накопичення імпульсних сигналів з невідомим доплерівським зрушенням по частоті

При відносному русі об'єкту, що відображає, РЛС коливання, що приймаються, мають частоту f = fo + FД, де fo - випромінювана частота;

F_Д = f_o·[(1 – V_r/c)]/(1 + V_r/c)  2^.V_r/)

F_Д - частота Доплера; Vr - швидкість видалення або зближення об'єкту і РЛС (радіальна швидкість); l = с/fo - довжина хвилі.

Якби радіальна швидкість об'єкту була наперед відома, то для когерентного накопичення сигналів, відображених цим об'єктом, достатньо було б зсунути частоту опорних коливань в системах обробки (см.рис.3.81 г і д) на частоту Доплера. Проте звичайно Vr об'єкту необхідно визначати в процесі або після його виявлення. Тому частота Доплера наперед невідома.

Для здійснення когерентного накопичення сигналів від рухомих об'єктів є три можливості, які розглядаються нижче.

Перша полягає в побудові багатоканальної системи обробки. Кожен її канал відповідає одній з порівняно вузьких ділянок спектру очікуваних частот Доплера, а сукупність всіх її каналів перекриває повністю цей спектр. Кожен канал цієї системи виконується по аналогічній структурній схемі (рис.3.84), відмінний від системи (рис.3.81,д) наявністю генератора частоти Доплера ГЧД і змішувача СМ випромінюваної частоти fo і частоти Доплера FД. Фазообертач ФО змінює фазу одного з опорних коливань на 90о.

Зсув частоти опорного коливання для даного каналу до вибирається фіксованим:

F_Дk = F_Дmin + (k + /2)·F,

де DF = (FДmax - FДmin)/M - ширина смуги пропускання кожного каналу; FДmax і FДmin - відповідно максимальна і мінімальна очікувані частоти Доплера; М - число каналів; до - ціле число, що лежить в межах від 0 до М - 1. Чим більше число каналів і вже їх смуга пропускання, тим точніше здійснюється когерентне накопичення сигналів, що потрапили в даний канал.

Рис.3.84.

Розрахунки показують, що каналів системи обробки, що здійснює когерентне накопичення сигналів від об'єктів, що швидко переміщаються, досягає багатьох десятків і навіть сотень. При цьому доцільність реалізації такої системи може виявитися сумнівною.

Для когерентного накопичення радіоімпульсних сигналів з невідомим доплерівським зсувом частоти можна використовувати і кореляційно-фільтрову систему (рис.3.83). Її виконують багатоканальною і по частоті очікуваних сигналів, замінивши в ній оптимальний фільтр, налаштований на частоту випромінюваних сигналів, паралельним з'єднанням аналогічних фільтрів із зміщеними на DF частотами настройки.

Друга можливість когерентного накопичення сигналів від рухомих об'єктів полягає в пошуку об'єкту по радіальній швидкості і реалізується системою обробки, в якій генератор частоти Доплера ГЧД перебудовується у всьому діапазоні очікуваних частот Доплера. Проте описана система вимагає в М раз більшого часу на пошук і накопичення сигналів, ніж в багатоканальній системі. Тому в системах виявлення об'єктів, що швидко переміщаються, вона не може бути використана по тактичних міркуваннях.

Нарешті, розглянемо третю можливість когерентного накопичення сигналів від рухомих об'єктів. Вона реалізується за допомогою одноканальної системи, в якій одночасно і когерентно накопичуються імпульсні сигнали з різними доплерівськими зрушеннями по частоті. Основним її елементом є рециркулятор (рис.3.85,а). На рис.3.85 показані структурні схеми рециркуляторов-когерентних накопичувачів сигналів.

Принцип її роботи пояснимо на простому прикладі, коли на вхід подається гармонійне коливання u1(t)= U·cos wt, частоту якого спочатку вважаємо відомою. В результаті циркуляції по ланцюгу зворотного зв'язку на другий вхід суматора (рис.3.85,а) поступить коливання u3(t)= m·U·cos w(t - T). Воно буде у фазі з коливанням u1(t) тільки в тому випадку, якщо w =(2p/Т)·n, де n - ціле число. Після синфазного складання таких коливань в суматорі на виході утворюється коливання u3(t)= (1 + m)·U·cos wt.

Рис.3.85

Після двократної циркуляції амплітуда вихідної напруги в 1 + m + m2 раз більше амплітуди вхідної напруги, а після до циркуляцій - в (1 - mk+1)/(1 - m) раз і т.п.

Якби вдалося виконати m = 1, то після до циркуляцій амплітуда вихідного коливання зросте в (до + 1) раз. У цьому і полягає когерентне накопичення вхідного коливання.

Коливання іншої частоти w = 2p·n/Т підсумовуватимуться з фазовими зрушеннями, відповідно рівними wТ, 2wТ, 3wТ і т.д. Ці фазові зрушення можна компенсувати, поставивши в ланцюг зворотного зв'язку рециркулятора фазообертача на кут з(wТ)= 2p·R·(wТ/2p) (рис.3.85,б), R - дробова частина числа х.

Якщо частота вхідного коливання наперед невідома, то одержати його когерентне накопичення можна шляхом зміни кута повороту фази фазообертача згідно із законом (рис.3.86,а):

 

що еквівалентне зсуву частоти циркулюючого коливання на величину Dw = с/dt = 2p/Т (рис.3.85,в). В цьому випадку за час Т затримки сигналу в ланцюзі зворотного зв'язку кут повороту фази плавно міняється по лінійному закону від нуля (при t = 0) до p (при t = T/2) і далі до 2p (при t = T). Тому незалежно від значення частоти накопичуваного коливання в один з моментів часу протягом тривалості Т фази накопичуваних коливань співпадатимуть, що і зумовить їх когерентне накопичення.

Когерентне накопичення відбувається в той момент часу, в який кут повороту фази (3.48) з точністю до цілого числа 2p співпадає з кутом запізнювання фази коливання, що відбувається унаслідок його затримки на час Т в ланцюзі зворотного зв'язку. Тому умова когерентного накопичення в цьому випадку така:



де n1 - ціле число. Отже, когерентне накопичення коливання частоти і відбувається в моменти часу

t = (w·Т - 2p·n1)/Dw. (3.49)

Таким чином, частота вхідного коливання лінійно пов'язана з моментами досягнення максимуму вихідним коливанням. Змінюючи цей момент часу, можна вимірювати частоту вхідного коливання. На цьому принципі і засновані одноканальні аналізатори спектру для одночасного аналізу.

Якщо на вхід рециркулятора подається не безперервне гармонійне коливання, а радіоімпульси тривалістю t з періодом повторення Т і з невідомою частотою w, то для їх когерентного накопичення необхідно змінювати фазу фазообертача рециркулятора вже згідно із законом (рис.3.86,б) з(t)= 2p·t/t або зміщувати частоту циркулюючих імпульсів на величину Dw = 2p/t. В цьому випадку кут повороту фази накопичуваного радіоімпульсу протягом його тривалості плавно і лінійно змінюється в інтервалі, ширина якого рівна 2p. Внаслідок цього незалежно від величини несучої частоти накопичуваних радіоімпульсів їх фази співпадають в один з моментів часу протягом їх тривалості. Це і приведе до їх когерентного накопичення. При цьому моменти когерентного накопичення (3.49) несуть інформацію про частоту накопичуваних радіоімпульсів.

При прийомі сигналів радіолокацій, відображених від рухомих об'єктів, їх частота f = fo - FД, зважаючи на що умова (3.49) приймає вигляд

t(F_Д) = [2/](f_o Т – F_Д·Т – n₂ )= 2·/·(n₂ – F_Д·Т), (3.50)

де n2 - ціле число. Тут передбачалося, що період повторення Т кратний періоду to = 1/fo несучого коливання. Зокрема, при прийомі сигналу від нерухомої мети (FД = 0)

t(0) = 2·n₂/= n₂_o. (3.51)

З виразів (3.50) і (3.51) витікає, що часове зміщення максимуму вихідного сигналу, обумовленого когерентним накопиченням, унаслідок доплеровського зрушення частоти вихідного сигналу

t = t(F_Д) – t(0)= –(2·T/)·F_Д

пропорційно величині цього зрушення.

Рис.3.86. Закони зміни фази в ланцюзі зворотного зв'язку рециркуляторов.

Отже, що при кожній рециркуляциі накопичуваного імпульсу відбувається зсув його спектру на величину Df, яка співпадає з шириною спектру цього імпульсу. Тому для здійснення N рециркуляций смуга пропускання пристрою затримки повинна бути в N раз більше, ніж в звичному рециркуляторе. Це може викликати великі труднощі при здійсненні даної системи.

Таким чином, розглянуті методи реалізації оптимального прийому когерентної пачки імпульсів, тобто процес оптимальної обробки такої пачки, називаються когерентним прийомом або когерентною обробкою, а стосовно межперіодной обробки - когерентним накопиченням. Термінологія залишається у силі незалежно від того, чи є накопичення радіочастотним або відеочастотним.