4. Лабораторная работа №4 «исследование устройств согласованной обработки сигналов, принимаемых на фоне пассивных помех (систем сдц)»

4.1.Теоретическая часть

4.1.1. Общие сведения

В средствах радиолокации, используемых в аэропортах и на трассах, для отделения движущихся воздушных судов от неподвижных или малоподвижных объектов используются когерентно-импульсные методы. Сигналы, отражённые от неподвижных или малоподвижных объектов, в дальнейшем будем называть пассивными помехами (ПП). Пассивные помехи на 30..80дБ и более могут превышать уровень собственных шумов приёмника и маскировать полезный сигнал, отражённый от движущегося воздушного судна. Процесс выделения полезного сигнала от ПП называется селекцией движущихся целей (СДЦ).

В РЛС с системами СДЦ, осуществляющими селекцию сигналов от воздушных судов и ПП по частоте Доплера, для подавления ПП необходимо обеспечить когерентность импульсов пачки отражённых сигналов на входе устройства подавления (режекции). При излучении когерентной последовательности зондирующих сигналов необходимость в применении специальных устройств, обеспечивающих когерентность при приёме сигналов, отпадает. Система СДЦ состоит, в этом случае, из режекторного фильтра и устройства переноса частоты сигнала в область рабочих частот фильтра. В случаях использования когерентной последовательности зондирующих сигналов в состав системы СДЦ, кроме режекторного фильтра, должно входить когерентно-импульсное устройство (КИУ), которое обеспечивает когерентность принимаемой пачки отражённых сигналов и перенос их несущей частоты в область рабочих частот режекторного фильтра (см. рис. 4.1).

Для достижения максимального соотношения сигнал/помеха на выходе системы СДЦ амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) режекторного фильтра должна удовлетворять условию

, (4.1)

где C₁ – постоянный коэффициент;

N_пп(f) – спектральная плотность мощности ПП;

N₀ – спектральная плотность мощности собственных шумов приёмника (белого шума).

На практике реализация РФ с такой оптимальной АЧХ- сложная задача, поэтому в РЛС используются РФ с квазиоптимальной АЧХ. Кроме того, РФ могут быть неадаптированными и адаптированными к параметрам ПП. В системах СДЦ с неадаптированными РФ КИУ технически реализуютсяв виде отдельного устройства.

К основным характеристикам любой системы СДЦ относятся:

-скоростная характеристика- зависимость коэффициента передачи по мощности полезного сигнала от радиальной скорости воздушного судна (частоты Доплера); ;

-коэффициент подавления ПП по мощности ;

-коэффициент улучшения отношения сигнал/помеха ,

где – среднее значение коэффициента передачи полезного сигнала при оптимальной скорости воздушного судна;

– среднее значение нормированного коэффициента передачи полезного сигнала.

4.1.2. Система сдц с эквивалентной внутренней когерентностью и устройством череспериодной компенсации (чпк) на видеочастоте

Структурная схема системы СДЦ с эквивалентной внутренней когерентностью и устройством череспериодной компенсации (ЧПК) на видеочастоте представлена на рис. 4.2.

В системе СДЦ (рис. 4.2) фазовые детекторы (ФД) совместно с устройством формирования опорного напряжения (УФОН) образуют когерентно-импульсное устройство и обеспечивают перенос спектра входных сигналов на видеочастоту, а также когерентность импульсов в пачке на входе устройств ЧПК. Когерентность пачки импульсов проявляется в закономерном изменении амплитуды и полярности видеосигналов на выходе ФД.

Устройство ЧПК выполняет роль режекторного фильтра. Выпрямитель (двухполупериодный) обеспечивает преобразование биполярных сигналов с устройства ЧПК в однополярные для дальнейшего суммирования импульсов двух квадратурных каналов. Наличие двух квадратурных каналов исключает потери полезного сигнала за счёт незнания его начальной фазы.

Рассмотрим подробнее задачи, которые должно решать УФОН для обеспечения когерентности пачки принимаемых сигналов.

Структуру отражённых сигналов от воздушного судна, неподвижной и подвижной ПП можно описать в пределах длительности импульсов следующими выражениями:

где i=1,2,3…, N – номер периода следования зондирующих сигналов;

₀=2πf₀(2D/C) – фаза, определяемая дальностью D до объекта радиолокации;

_отр - сдвиг фазы при отражении импульсов;

_зi – начальная фаза i-го зондирующего сигнала;

F_g=2V_p/λ – доплеровская добавка частоты к несущей частоте f₀ отражённого сигнала за счёт движения объекта радиолокации с радиальной скоростью V_p (F_g=0 при отражении сигналов от неподвижных объектов).

Таким образом, фаза колебаний последовательности из N отражённых сигналов равна

Фаза опорного напряжения

равна .

Разность фаз (4.3)

Соотношения 4.2 и 4.3 иллюстрируются с помощью векторных диаграмм (Рис. 4.3) без учёта случайной начальной фазы _зi зондирующего сигнала.

Рис. 4.3 Векторные диаграммы отражённого сигнала и опорного напряжения

Амплитуда видеоимпульсов на выходе ДФ с учётом неравенства U_ОП>>U_c определяется выражением

. (4.4)

При отражении сигналов от неподвижной ПП (F_g=0) (допустим, что _зi=const) происходит изменение амплитуд напряжения U_p (см. рис. 4.3) в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от разности фаз ₀+_отр

(см. рис. 4.4)

Здесь изображены изменения амплитуды результирующего напряжения U_p(t) на входе ФД (см. рис. 4.4. а) при отражении сигнала от неподвижных ПП, находящихся на разной дальности, а также видеоимпульсы на выходе ФД.

Разность фаз ΔY опорного напряжения U_оп и сигнала U_с непрерывно меняется, если объект радиолокации непрерывно движется с некоторой радиальной скоростью. На векторной диаграмме (рис. 4.3) вектор непрерывно вращается, а вектор результирующего напряжения колеблется. Амплитуда напряжения непрерывно изменяется с частотой F_g (рис. 4.5 а). В результате напряжение на выходе ФД (последовательность видеоимпульсов) изменяется по амплитуде и полярности с частотой F_g (рис.4.5 б). Если в выражении (4.3) текущее время t заменить его значениями , то аналитическое выражение для амплитуд напряжения ИФД примет вид

(4.5)

(В 4.5 принято _зi=const=0).

Таким образом, чтобы получить переменную от периода к периоду, амплитуду сигналов на выходе ФД, отражённых от движущегося объекта и постоянную- от неподвижного объекта УФОН должно обеспечивать:

исключение случайной начальной фазы зондирующих импульсов при переносе спектров отражённых сигналов в область видеочастот (т. е. _оп=_зi);

возможность подавления сигналов, отражённых от источников ПП, перемещающихся под действием ветра (компенсацию скорости ветра).

Структурная схема УФОН для РЛС с автогенератором в качестве передающего устройства представлена на рис. 4.6.

Канал фазирования

Исключение случайной начальной фазы зондирующих импульсов РЛС с автогенератором (АГ) выполняется путём навязывания когерентному гетеродину (КГ) начальной фазы зондирующего импульса.

Процесс навязывания фазы называют фазированием КГ. Когерентный гетеродин формирует непрерывные колебания на промежуточной частоте. Поэтому сигнал фазирования получают, смешивая по частоте часть энергии зондирующего сигнала, отбираемой с помощью направленного ответвителя (НО), с напряжением местного гетеродина (МГ) в смесителе (СМ) канала фазирования. Время фазирования КГ определяется добротностью его колебательной системы, амплитудой фазирующего импульса и величиной расстройки частоты КГ относительно частоты фазирующего импульса. Оно тем меньше, чем ниже добротность колебательной системы гетеродина, больше амплитуда фазирующего импульса и меньше разность частот КГ и фазирующего импульса. После процесса фазирования КГ генерирует колебания, фаза которых в каждом цикле зондирования жёстко связана с начальной фазой излучаемого передатчиком сигнала.

К когерентному гетеродину предъявляются два противоречивых требования. Во-первых, для подавления сигналов, отражённых от источников ПП требуется высокая стабильность частоты КГ, что можно обеспечить лишь при условии высокой добротности его колебательной системы. Во-вторых, для быстрого и качественного фазирования система должна обладать малой добротностью.

Удовлетворить оба требования можно двумя способами:

срывом колебаний КГ перед началом фазирования (перед подачей фазирующего импульса);

уменьшением добротности колебательной системы КГ на время действия импульса фазирования.

Наиболее часто в РЛС применяется второй способ, который технически реализуется путём использования в качестве последнего каскада УПЧ канала фазирования специального усилителя- каскада фазирования (КФ) (см. рис.4.6). В отсутствие сигналов фазирования этот каскад закрыт и практически не оказывает шунтирующего действия на колебательную систему КГ, обеспечивая тем самым её высокую добротность в течение оставшегося времени периода следования.

При поступлении фазирующего сигнала и дополнительно специального стробирующего импульса каскад фазирования открывается и его выходное сопротивление шунтирует колебательную систему КГ, уменьшая её добротность. Стробирование производится с целью исключения фазирования КГ началом и концом фазирующего импульса, так как эти части фазирующего импульса имеют нестабильную фазовую структуру.

Для подавления сигналов, отражённых от ПП, движущихся под действием ветра, между КГ и ФД включают схему компенсации действия ветра (СКДВ). Эта схема обеспечивает изменение частоты КГ на величину доплеровской добавки. В принципе, это может быть обеспечено с помощью смесителя частоты путём выделения на его выходе одной из боковых частот, образующихся в результате смешивания частот когерентного гетеродина f_кг и низкочастотного генератора F_g. Однако, техническая реализация подобной СКДВ связана с большими трудностями, так как выделяемая частота f_кг±F_g незначительно отличается от частоты КГ f_кг. Поэтому частота f_кг обычно смещается схемами двукратного преобразования частоты с использованием высокостабильных (кварцевых) генераторов (см. рис. 4.7).

В смесителе СМ1 происходит первое преобразование частоты: на смеситель подаются колебания КГ с f_кг и кварцевого генератора КГ1 с частотой f_кг1=f_кв±F_g. Из ряда частот, образующихся на выходе смесителя, фильтр Ф1 выделяет колебания с частотой f_кг-f_кв1 (другие комбинационные частоты отфильтровываются за счёт выбора достаточно большой частоты f_кв). В смесителе СМ2 частота колебаний преобразовывается вторично (f_кв2=f_кв). Из комбинационных частот на выходе смесителя СМ2 фильтр Ф2 выделяет колебания на частоте f_кг±F_g.

Частота кварцевого генератора КГ1 в небольших пределах может изменяться с помощью устройства управления частотой (УУЧ).

Коммутатор (К) предназначен для выключения СКДВ при подавлении сигналов отраженных от неподвижных местных предметов. При наличии стробирующего импульса, длительность которого соответствует временной протяжённости зоны местных предметов через коммутатор К на вход смесителя СМ2 поступают колебания от КГ1 с частотой f_кв и из комбинационных частот фильтр Ф2 выделяет колебания с частотой f_кг т. е. частотная поправка отсутствует.

Для того чтобы спектральные составляющие сигналов ПП попали в полосы режекции устройства ЧПК необходимо, чтобы значение частотной поправки удовлетворяло условию

F_g=F_пул±кF_п,

где - частота пульсации сигналов ПП на выходе ФД;

F_n- частота повторения зондирующих импульсов;

К=1,2,3…

Устройство формирования опорного напряжения в системе СДЦ с помеховым гетеродином отличается от системы СДЦ с эквивалентной внутренней когерентностью способом фазирования когерентного гетеродина (см. рис. 4.8).

Когерентный гетеродин в схеме рис. 4.8 фазируется отражённым сигналом. Для того чтобы исключить подавление полезного сигнала, фазирование осуществляется с задержкой . Каскад фазирования КФ одновременно выполняет роль ограничителя сигналов снизу для исключения возможности фазирования КГ шумами.

Поскольку доплеровские сдвиги частоты сигналов, отражённых от источников ПП, находящихся в соседних импульсных объёмах,

практически одинаковые, то при таком способе фазирования КГ автоматически выполняется условие ,что исключает необходимость применения СКДВ.

Система СДЦ с помеховым гетеродином, имеющая одно устройство задержки, не обеспечивает компенсации передней кромки ПП. Кроме того, длительность полезного сигнала на выходе системы СДЦ при наличии ПП увеличивается вдвое ,так как фазовая информация от полезного сигнала присутствует на одном из входов ФД в течении времени равного 2 .