Многоканальная доплеровская фильтрация

Работа первичных радиолокаторов сопровождается появлением на входе устройств приема и обработки отраженных сигналов от «местных предметов» и метеообразований, которые являются мешающими и подлежат исключению из обработки. Одним из возможных вариантов построения систем селекции движущихся целей является многоканальная система, состоящая из ряда доплеровских фильтров, настроенных на различные фазы сигналов.

В фильтрах происходит разделение сигналов, отраженных от воздушных судов, местных предметов и метеообразований по величине изменения фазы от периода к периоду работы ПРЛ. Вышеназванные сигналы имеют различные междупериодные изменения по фазе в зависимости от радиальной скорости движения объектов.

На рис. 4.130 изображена радиальная составляющая скорости (ВО–воздушный объект; V – вектор скорости относительно РЛС; – радиальная составляющая скорости). При наличии радиальной составляющей изменяется частота отраженного сигнала относительно частоты излученного на величину частоты Доплера

.

Наличие означает изменение дальности ВО относительно РЛС, что неизбежно приводит к изменению фазовой структуры отраженных сигналов относительно излученных. Соответствующие изменения могут быть выявлены набором фильтров с различными амплитудно-фазовыми характеристиками (на рис.4.131 пример для 8 фильтров).

-1800 -1350 -900 -45 0 0 450 900 1350 1800

4 5 6 7

0 1 2 3 4

MS(Uвых )

Рис.4.131. Амплитудно-фазовые характеристики фильтров

Сигналы от воздушных судов, местных предметов и метеообразований будут проходить через различные фильтры. Кроме разделения сигналов, в фильтрах происходит их накопление путем суммирования задержанных на период повторения и не задержанных сигналов. Шумы имеют хаотичный характер и их накопление происходит в меньшей степени. Накопление дает улучшения отношение сигнала к шуму примерно в 2-3 раза, что увеличивает дальность обнаружения воздушных объектов. Структурная схема устройства, реализующая многоканальную доплеровскую фильтрацию изображена на рис.4.132.

Обработка сигналов осуществляется на промежуточной частоте, для чего они берутся с выхода усилителя промежуточной частоты (УПЧ). Элементом, позволяющим выявлять наличие частоты Доплера в отраженном сигнале является детектор фазовый (ДФ), на который подается и напряжение с генератора опорного напряжения входящего в состав радиопередающего устройства. Доплеровские фильтры цифровые, поэтому сигналы с выхода детекторов подаются на них после аналого-цифрового преобразования в АЦП. Обработка реализуется в двух квадратурных каналах, отличающихся фазой опорных напряжений на . Необходимость двух квадратурных каналов обусловлена характеристикой фазового детектора, которая имеет точки «слепой» фазы

Амплитудно-фазовые характеристики фильтров представляют собой зависимость амплитуды выходных сигналов от межпериодного изменения фаз.

Нулевой фильтр (рис.4.133) имеет максимум характеристики . На его выходе будет иметь максимальную амплитуду сигнала, отраженные от местных предметов, фаза которых от периода к периоду не меняется (рис.4.133, а).

Первый фильтр имеет максимум при сдвиге фазы (рис.4.133,б). Максимальная амплитуда сигналов на его выходе будет иметь место в случае, если фаза отраженных сигналов от периода к периоду меняется на (ситуация, характерная для метеообразований). В общем случае, фаза будет меняться в пределах и такие сигналы проходят через 1 и 7 фильтры. Сигналы от «местных» предметов в этих фильтрах будут ослаблены.

Второй фильтр выделяет сигналы с межпериодным сдвигом фазы на . Это соответствует сигналам, отраженным от воздушных судов, летящих с радиальными скоростями 70 км/ч.

Остальные фильтры имеют максимальные сигналы на выходах при следующих разностях фаз отраженных сигналов от периода к периоду:

3-й фильтр – ;

4-й фильтр – ;

5-й фильтр – ;

6-й фильтр – ;

7-й фильтр – .

Таким образом, сигналы от воздушных судов, местных предметов, метеообразований, имеющие различные радиальные скорости, попадут в различные фильтры. Происходит их разделение.

Сигналы с выхода фильтров подаются в запоминающее устройство. Выходной сигнал формируется из двух квадратурных составляющих A и B путем вычисления модуля M (векторное суммирование). Векторы A и B сдвинуты относительно друг друга на (рис.4.134). Модуль вектора определяется следующей формулой

Возведение в степень и извлечение корня затруднено для вычислителя. Поэтому на практике применяется упрощенная формула

. (4.65)

В этой формуле действия возведения в степень и извлечения корня заменены суммированием и делением на два, что выполняется достаточно просто.

Амплитудно-фазовые характеристики частично перекрываются, что приводит к появлению сигналов от местных предметов в других фильтрах. В 1 и 7 фильтрах проходит примерно половина амплитуды сигналов от местных предметов, а в остальных фильтрах – . Для их устранения реализуется вычитание сигналов местных предметов (сигналов нулевого фильтра) из сигналов других фильтров. Из сигналов 1 и 7 фильтров вычитается 0,5 сигнала нулевого фильтра, а из остальных 5-ти фильтров – ( ) сигнала нулевого фильтра.

Фазовые фильтры обеспечивают разделение сигналов отраженных от воздушных судов, местных предметов и метеообразований, а также их накопление в течение N периодов повторения зондирующих сигналов.

Все фильтры выполнены аналогично. Каждый фильтр содержит линию задержки и сумматор. Сигналы первого периода повторения проходят через сумматор без изменений. Они поступают на вход линий задержки. Во втором периоде повторения в сумматоре складываются сигналы второго периода с задержанными сигналами первого периода. Таким же образом происходит суммирование сигналов в восьми периодах повторения (для примера взято накопление сигналов в 8 периодах повторения).

С выходов фильтров снимаются максимальные сигналы в каждой восьмой период повторения.

При наличии сигналов, отраженных от местных предметов суммирование осуществляется в нулевом фильтре за восемь периодов повторения (рис.4.135).

Межпериодный сдвиг фаз в этом случае равен нулю и составляющие вектора A и B расположены по прямым a и b. С выхода нулевого фильтра суммарные сигналы и поступают в запоминающее устройство и далее производится вычисления модуля суммы .

Рассмотрим далее выделение сигналов во втором фильтре с межпериодном сдвигом фазы (рис.4.136).

Векторное отображение таких сигналов показано на рис. 4.137. Для получения максимального сигнала от объектов на выходе второго фильтра необходимо вектор развернуть на – , вектор – на – , вектор – на – и т.д. В этом случае все векторы будут размещены на одной прямой (рис. 4.138). На вход второго фильтра сигналы подаются в следующем порядке: Первые сигналы , подаются без изменения, поэтому вектор остается без поворота.

Во втором периоде на сумматор подаются сигналы , . Замена сигнала на обеспечивает поворот вектора на (рис.4.139) и он будет суммироваться с вектором .

Рис.4.137. Векторное отображение сигнала воздушных судов

М3М2

Рис.4.138 Суммирование сигналов от воздушных судов

В третьем периоде на сумматор подаются сигналы , , вектор поворачивается на и суммируется с векторами и

Аналогичным образом происходит поворот и суммирование остальных векторов. На выходе второго фильтра максимальную амплитуду будут иметь сигналы, от воздушных объектов с межпериодным сдвигом фазы . Сигналы от метеообразований ( ) будут ослаблены, а сигналы от местных предметов ( ) будут равны нулю. Амплитудно-фазовая характеристика второго фильтра изображена на рис.4.140.

Коэффициент передачи фильтров может быть определен по АФХ фильтров. Например, для второго фильтра максимальный сигнал на выходе будет при , для сигнал будет меньшей амплитуды, для он отсутствует. Первый и седьмой фильтры выделяют сигналы с межпериодным набегом фазы , 2-6 фильтры – сигналы от воздушных судов с различными радиальными скоростями

Таким образом происходит разделение сигналов в фазовых фильтрах.

В течение восьми периодов накопления параметры импульсной последовательности не меняются. При вобуляции периода повторения в следующей восьмерке импульсов изменится временной интервал между импульсами, но в течение 8 периодов он будет неизменным и, таким образом, будет реализовано накопление сигналов с другим периодом повторения импульсов. Если предположить, что вобуляция проводится на четыре периода, то полный цикл накопления составит 32 периода повторения.

Рис.4.140. Амплитудно - фазовая характеристика 2 фильтра

-