Принципы автоматического обнаружения воздушных объектов

Устройства, осуществляющие автоматическое обнаружение воздушного объекта, относятся к классу решающих устройств, которые в результате обработки сигнала приемного тракта выдают решение «есть цель» или «нет цели». Когда на выходе приемного тракта наблюдается смесь «сигнал + шум», то должно приниматься решение «есть цель»; в случае чистого шума – решение «нет цели». Таким образом, устройство должно обладать способностью различать чистый шум и смесь.

Алгоритм работы обнаружителей базируется на различных критериях. При использовании весового критерия осуществляется задержка импульсов пачки отраженного сигнала на время, кратное периоду повторения с последующим их суммированием в соответствии с весовыми коэффициентами q_i, отражающими форму диаграммы направленности антенны. Аналитически алгоритм определяется следующим образом

, (4.29)

где т – число зондирований;

х_i – значения, равные 0 или 1 (i = 1, …, т);

с – порог обнаружения.

Весовой метод обнаружения не нашел широкого применения в силу сложности реализации.

Если принять q_i = 1 (пачка прямоугольная), то обнаружение сводится к подсчету числа «1» на т смежных позициях и сравнении полученной суммы с порогом

.

Этот алгоритм положен в основу безвесового или критерийного метода обнаружения. Особенностью метода является необходимость двухпороговой процедуры обнаружения: обнаружение отдельных импульсов пачки и обнаружение пачки. Для разделения сигнала и помехи используют различия по амплитуде, длительности и протяженности по азимуту. Вначале отфильтровываются сигналы, амплитуды которых меньше порога обнаружения, затем сигналы, не удовлетворяющие критерию по длительности импульсов и наконец сигналы, которые не имеют приемлемой протяженности пачки по азимуту.

Процесс автоматического обнаружения начинается с преобразования аналогового сигнала с выхода приемника в бинарно-квантованные сигналы. Суть бинарного квантования состоит в следующем. Сигнал u(t) с выхода приемника (или детектора) подается на пороговое устройство. В момент, когда сигнал превысит установленный порог u₀, генерируется стандартный импульс («единица»), длительность, величина и форма которого каждый раз одинаковы (рис. 4.34)

Таким образом, при бинарном квантовании решение представляется функцией Z, которая принимает значение 0 или 1:

В результате бинарного квантования осуществляется преобразование сигнала в цифровую форму, что дает возможность впоследствии осуществлять обработку информации на цифровых ЭВМ.

Влияние помех в процессе бинарного квантования проявляется в том, что могут появляться ложные единицы («ложные тревоги») или ложные нули («пропуск цели»). Поэтому величина порога U₀ устанавливается исходя из условий оптимальности, как это было указано ранее.

Как правило, радиолокационные станции работают таким образом, что в процессе обзора пространства каждый объект облучается многократно, поэтому сигнал от объекта представляется не одним отраженным импульсом, а пачкой импульсов. Обнаружение объекта по пачке дает лучшие результаты, так как для выработки решения используется значительно больший объем информации, нежели в случае одиночного сигнала. Действительно, многократное появление импульса на одном и том же участке развертки существенно повышает уверенность в том, что объект есть. Вместе с тем, вероятность события, что каждый раз на одном и том же месте будет возникать ложный импульс, мала и, причем, тем меньше, чем более длительна эта последовательность.

Пачка квантованных сигналов представляется азимутальной последовательностью стандартных импульсов, а в цифровой форме – азимутальной последовательностью нулей и единиц (рис. 4.35). Величина N_П называется шириной пачки: она равна числу позиций, на которых имеются единицы, при условии, что шум отсутствует. Ширина пачки существенно меняется в зависимости от мощности принимаемого сигнала и уровня ограничения U₀.

Часто для принятия решения используют не всю пачку, а только часть из т позиций, так что т<<N_П. Это является алгоритмом оптимального обнаружения по методу «k из т». Процедура обнаружения методом «k из т» сводится к подсчету числа единиц на т рядом расположенных позициях, и если число единиц будет больше некоторого установленного числа k (или хотя бы ровно k), то выдается решение «есть цель».

Алгоритм достаточно просто реализуется в технике. Возможная функциональная схема решающего устройства для т = 3 представлена на рис. 4.36. Оно действует следующим образом. С квантизатора сигналы «ноль» и «единица» поступают на линии задержки ЛЗ, каждая из которых задерживает их ровно на период повторения импульсов РЛС Т_П. Далее сигналы суммируются на сопротивлении R и результирующее напряжение подается на пороговое устройство. Порог при помощи регулировок устанавливается такой величины, чтобы при поступлении на сопротивление одновременно k или более импульсов («единиц») устройство срабатывало и выдавало решение «есть цель».

Структура обнаружителей бинарно-квантованных сигналов может быть реализована следующим образом (рис. 4.37)

Пороговое устройство

Счетчик

Цифровой компаратор

Обнаружение

Ux

U0

Un

Рис.4.37. Структура обнаружителя пачки отраженных сигналов

Порог U₀ выбирается из условия обеспечения заданной вероятности ложной тревоги. При этом пороговое устройство реализует первый (амплитудный) критерий автоматического обнаружения. Критерий по азимутальной протяженности пачки отраженного сигнала проверяется в цифровом компараторе. Для этого на один из входов компаратора подается код порога принятия решения U_n, который формируется следующим образом. Число импульсов в ожидаемой пачке отраженного сигнала равно

, (4.30)

где F_n – частота повторения импульсов запуска РЛС;

Q_b – ширина диаграммы направленности антенны РЛС;

6^о – поправочный множитель;

V_вр – скорость вращения антенны РЛС.

Уровень порога U_n устанавливается следующим образом

.

Таким образом, при выполнении обоих критериев принимается решение об обнаружении.

Критерийный обнаружитель может быть выполнен в соответствии со схемой, изображенной на рис. 4.38.

С помощью этой схемы реализуется критерий «k из 6» (k/6). В процессе обнаружения на вход устройства подаются сигналы со стабилизатора уровня ложных тревог. Эта информация за пять последовательных периодов следования импульсов запуска запоминается в оперативном запоминающем устройстве ОЗУ1 и вместе с сигналами текущего периода поступает на вход сумматора SM1. Сумматор подсчитывает количество импульсов обнаружения в шести последовательных периодах зондирования для каждого дискрета дальности. Далее двоичный трехразрядный код суммы поступает на схему критерийной обработки, где сравнивается с двоичным трехразрядным кодом критерия обнаружения. При выполнении критерия формируется сигнал обнаружения.

Алгоритмы автоматического обнаружения и измерения координат воздушных объектов предполагают обязательное разбиение зоны обзора на отдельные дискреты по дальности и азимуту (рис.4.39).

Размер дискрет выбирается из следующих соображений. Минимальный размер дискрета по дальности h_D может быть ограничен величиной разрешающей способности по дальности. Максимальный размер дискрета по дальности ограничен ошибками измерения дальности, которая составляет 1/2 h_D.

Размер дискрета по азимуту определяется ошибками измерения координаты азимута. Обычно в РЛС эти дискреты задаются масштабными азимутальными импульсами (МАИ), число которых за обзор равно 4096.

Аналоговый обнаружитель отраженных сигналов может быть реализован в соответствии со схемой, изображенной на рис.4.40.

…

Входное ПУ

Линия задержки

Выходное ПУ

Обнаружение

Ux

U0

Un

Рис.4.40. Обнаружитель пачки отраженного сигнала

Сумматор

Входное пороговое устройство обеспечивает нормировку входного сигнала. Порог U₀ выбирается в соответствии с заданной величиной вероятности ложной тревоги. Линия задержки многоотводная. Время задержки между отводами соответствует периоду повторения импульсов запуска. При наличии импульсов отраженного сигнала в соответствующих периодах зондирования и при повышении их суммы установленного порога обнаружения u_n, принимается решение об обнаружении.

4.2. Измерение координат и параметров движения