Тема 4. Радиоприемные устройства рлс ртв

4.1. Структурная схема тракта приема и выделения сигналов из помех

Тракт приема и выделения сигналов из помех (ТПВС) предназначен для передачи энергии принимаемых антенными системами сигналов на входы приемных устройств РЛС, усиления принятых колебаний и фильтрации (выделения) сигналов целей на фоне помех. К помеховым сигналам в радиолокации относятся собственные шумы приемных устройств и внешние естественные и преднамеренные шумы.

Поскольку при приеме сигналов всегда воздействуют помехи, то одной из основных функций ТПВС является оптимальное (в смысле выбранного критерия) выделение полезного сигнала. Качество выполнения данной функции определяется структурой полезных и помеховых сигналов, их интенсивностями, а также располагаемыми априорными сведениями о параметрах наблюдаемых сигналов.

Реализация потенциальных возможностей процесса обнаружения – измерения параметров принимаемых сигналов представляет довольно сложную научно – техническую задачу. Удовлетворительное решение этой задачи достигается при использовании многоканальных по входу радиоприемных устройств, характеристики которых согласуются с параметрами принимаемых сигналов.

Из общих принципов обработки сигналов в многоканальных приемных устройствах (излагаемых в курсе теоретических основ радиолокации) известно, что при обнаружении полезного сигнала на фоне аддитивных гауссовых помех информативной статистикой является весовой интеграл

(4.1)

где и - соответственно -мерные векторы принимаемых сигналов и весовых функций, определяемые следующим равенством и интегральным уравнением

, (4.2)

в которых - вектор полезных сигналов (сигнала);

- коэффициент, равный нулю или единице в зависимости от отсутствия или наличия сигнала;

- вектор помеховых сигналов;

- матрица корреляционных функций помеховых сигналов.

В случае узкополосных сигналов удобнее оперировать с их комплексными амплитудами. При этом выражения (4.1) и (4.2) преобразуются в следующее

; ; (4.3)

где большими буквами обозначены комплексные амплитуды векторов сигналов и весового вектора, а через - корреляционная матрица комплексных амплитуд помехового сигнала.

Из выражений (4.3) следует, что весовое суммирование предполагает неразделяемую пространственную и временную обработку сигналов в приемных каналах.

В случае, когда отношение ширины спектра сигналов к несущей частоте значительно меньше апертурного отношения (, где - размер антенны, например в горизонтальной плоскости), обработка сигналов упрощается: она разделяется на пространственную (производимую антенной) и временную, осуществляемую в приемном устройстве.

Действительно, в этом случае комплексная амплитуда полезного сигнала , где - вектор, характеризующий фронт волны этого сигнала (направление приема), представляется в виде произведения . Комплексная амплитуда весового интеграла составляет результат временной обработки сигналов

(4.4)

где - результат пространственной обработки сигналов

(4.5)

Структура многоканального приемного устройства, определяемая выражениями (4.4, 4.5), представлена на рис. 4.1.

Рис.4.1. Структурная схема приемной системы с раздельной пространственной и временной обработкой сигналов

Пространственная обработка сводится к когерентному суммированию полезных сигналов, принимаемых отдельными элементами антенны. Она осуществляется путем фазирования и сложения сигналов с учетом их временной структуры. Временная обработка предусматривает умножение принятого сигнала на ожидаемый () и когерентное накопление во времени полученного результата, а также детектирование и некогерентное накопление (см. рис. 4.1).

В случае, когда помеховый фон представляет собой «белый» шум, возможно дополнительное упрощение обработки сигналов. В этом случае весовой вектор оказывается равным

где - спектральная плотность мощности шума, и формулы (4.4) и (4.5) принимают вид

;

. (4.6)

Обработка сигналов в соответствии с формулами (4.6) называется согласованной. В случае коррелированных помех, а также негауссовых помех данная обработка становится неоптимальной. В данном разделе (главе) будем рассматривать особенности обработки принимаемых сигналов на фоне «белого» шума.

Устройство когерентной обработки (см. рис. 4.1) представляет собой оптимальный фильтр одиночного радиоимпульса (ОФОИ), формирующий на своем выходе сигнал, огибающая которого пропорциональна корреляционному интегралу (рис. 4.2):

(4.7)

где - время, определяющее продолжительность интегрирования - обычно равное длительности сигнала;

- ожидаемый сигнал;

- время запаздывания сигнала;

- номер сигнала в пачке радиоимпульсов ().

Когерентный накопитель осуществляет когерентное суммирование значений в пределах пачки импульсов. В пороговом устройстве результат накопления сравнивается с порогом. Если величина накопленного сигнала окажется больше порога, то принимается решение о наличии сигнала. Уровень порога выбирается таким образом, чтобы вероятность ложной тревоги была не больше допустимой.

Рис.4.2. Структурная схема устройства когерентной обработки сигналов

Когерентный накопитель является сложным многоканальным устройством (число каналов определяется диапазоном доплеровских частот и разрешающей способностью каналов по частоте, а так же числом каналов по дальности в случае цифровой обработки). Поэтому в РЛС часто применяются некогерентные накопители (рис. 4.3).

Рис.4.3. Структурная схема устройства некогерентной обработки сигналов

Эффективность некогерентного обнаружителя близка к эффективности оптимального обнаружителя. Потери в отношении сигнал/шум равны лишь потерям на некогерентное накопление и составляют 1…3 дБ. Важным достоинством является простота технической реализации. В качестве некогерентного накопителя в ряде РЛС используется индикатор, электронно-лучевая трубка которого обладает длительным послесвечением. Формирование модульного значения корреляционного интеграла осуществляет радиоприемное устройство с амплитудным детектором. Сравнение результата накопления сигнала с порогом в «простых» РЛС осуществляет оператор, который принимает решение о наличии или отсутствии сигнала.

Практика показывает, что обычным режимом работы РЛС является работа в условиях воздействия различного рода помех, поэтому приемное устройство РЛС должно содержать устройства защиты от активных и пассивных помех.

Обобщенная структурная схема ТПВС, элементы которого присутствуют в любой РЛС, представлена на рис. 4.4. Следует заметить, что ТПВС конкретной РЛС может и не содержать некоторых элементов.

В состав ТПВС входят приемная антенна и часть высокочастотного тракта, предназначенная для передачи энергии принятых сигналов от антенны к приемнику, а также устройства защиты от различного вида помех, которые могут воздействовать раздельно или одновременно.

Радиолокационные приемники строятся, как правило, по супергетеродинной схеме, так как усиление на промежуточной частоте более стабильно и реализуется проще, чем на СВЧ (относительная полоса частот, занимаемая полезным сигналом на промежуточной частоте, получается больше, чем на СВЧ, поэтому согласованные фильтры строятся проще). Кроме того, частоту гетеродина в супергетеродинном приемнике можно менять в соответствии с любым изменением частоты передатчика без подстройки усилителя промежуточной частоты (УПЧ).

Рис.4.4. Обобщенная структурная схема тракта приема и выделения сигналов

Усилитель высокой частоты (УВЧ) – производит усиление сигнала на его несущей частоте. Он должен обеспечивать предварительную частотную избирательность в области частотного диапазона РЛС и максимальную чувствительность радиолокационного приемника. УВЧ должен обладать минимальным уровнем собственных шумов и максимальным коэффициентом усиления по мощности. УВЧ подключается к антенне с помощью пассивных элементов, объединенных в тракт высокой частоты на прием (входные цепи). При передаче высокочастотной энергии от антенны к приемнику потери в тракте высокой частоты достигают 3 дБ. Одним из способов решения задачи снижения этих потерь является максимально возможное приближение УВЧ к антенне.

Преселектор предназначен для согласования УВЧ с преобразователем частоты и осуществления предварительной частотной избирательности для подавления зеркальной составляющей спектра сигнала. В качестве преселектора используются отдельные колебательные системы или совокупности нескольких связанных колебательных систем. На частотах от 200 до 1000 МГц в качестве резонансных систем применяются отрезки длинных линий, а на частотах свыше 1000 МГц – объемные резонаторы. Отрезки длинных линий на высоких частотах в результате потерь из-за поверхностных эффектов не обладают высокой добротностью и, следовательно, имеют низкую частотную избирательность. Объемные резонаторы имеют большую площадь поверхности, вследствие чего плотность тока в металле, а значит и потери энергии на нагрев малы.

Преобразователь частоты осуществляет перенос спектра входных сигналов в область промежуточных частот (см. рис. 4.5).

Рис.4.5. Расстановка несущих частот в супергетеродинном приемном устройстве

Основными параметрами преобразователя частоты можно считать коэффициенты шума и передачи мощности, влияющие на чувствительность приемного тракта, а так же динамический диапазон по сигнальному входу и значение промежуточной частоты, которое, в свою очередь, влияет на степень подавления приема по зеркальному каналу и электромагнитную совместимость.

Основное усиление принятых радиолокационных сигналов производится, но промежуточной частоте в усилителе промежуточной частоты (УПЧ). УПЧ может находиться на некотором удалении от антенны и преобразователя частоты. Поэтому передача сигналов к нему производится, как правило, с помощью коаксиального кабеля. Для достаточного (с учетом затухания в кабеле) предварительного усиления сигналов по мощности и согласования с низкоомной нагрузкой применяют специальные каскады предварительного усиления на промежуточной частоте (ПУПЧ).

Аппаратура защиты от активных шумовых помех (АЗАШП) осуществляет автоматическую компенсацию данных помех на промежуточной частоте. Сущность автоматической компенсации состоит в том, что из совокупности (аддитивной смеси) шумовой помехи и полезного сигнала, принимаемых основной антенной, автоматически вычитается помеха, принимаемая дополнительной слабонаправленной антенной. Дополнительных антенн может быть несколько. Более подробно принцип работы АЗАШП будет рассмотрен в следующей главе.

Усилитель промежуточной частоты представляет собой многокаскадный усилитель с линейными фильтрами, формирующими амплитудно-частотную характеристику требуемого вида. Для обеспечения линейной обработки сигналов принимаются специальные меры по расширению динамического диапазона УПЧ, например, с помощью схем автоматической регулировки усиления (АРУ).

Амплитудный детектор (АД) и видеоусилитель (ВУС) осуществляют соответственно детектирование и усиление сигнала на видеочастоте.

Устройство подавления боковых ответов (ПБО) предназначено для защиты от ответных импульсных помех, принимаемых с направлений боковых лепестков ДН основной антенны. Подавление осуществляется способом вычитания на видеочастоте из сигналов, принятых основной антенной, сигналов, принятых дополнительной слабонаправленной антенной.

Аппаратура защиты от пассивных помех (АЗПП) осуществляет когерентную обработку принятых сигналов на промежуточной или видеочастоте с целью выделения полезных сигналов на фоне пассивных помех. Выходные сигналы АЗПП (в некоторых случаях после детектирования) поступают на коммутатор, который в зависимости от установленного режима работы осуществляет передачу сигналов амплитудного или когерентного сигналов.

Устройство защиты от несинхронных импульсных помех (НИП) обеспечивает компенсацию НИП, используя отличия в периоде следования полезного сигнала и помех.

Устройство объединения сигналов парциальных каналов используется в приемном тракте РЛС, формирующих парциальные ДН в вертикальной плоскости (см. главу 2), либо в РЛС с многочастотными сигналами. При этом количество идентичных приемных каналов выбирается равным числу парциальных лучей ДН, либо числу частот в многочастотном зондирующем сигнале.

Накопление энергии импульсов пачки можно обеспечить путем перехода от фильтров, согласованных с одиночными импульсами, к гребенчатым фильтрам накопления, согласованным с периодической последовательностью импульсов. Когерентное накопление энергии сигналов на радиочастоте технически трудно осуществимо. Поэтому на практике использовалось чаще всего некогерентное накопление энергии видеоимпульсов. Для этого в приемный тракт после устройства объединения каналов либо в каждый приемный канал до него включают некогерентный накопитель энергии сигналов.