Устройство стабилизации уровня ложных тревог помехозащищенного радиолокационного приемника, расположенного на воздушных носителях

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиолокационных приемниках с постоянной частотой ложных тревог, расположенных на воздушных носителях, при обнаружении малоспортивных надводных целей. Техническим результатом является повышение качества стабилизации при большом уровне помеховых сигналов за счет исключения отраженных сигналов от протяженных образований местных предметов. Устройство стабилизации уровня ложных тревог помехозащищенного радиолокационного приемника, расположенного на воздушных носителях содержит многоотводную линию задержки, сумматор, линию задержки. В устройство введены два пороговых блока, блок стробирования с соответствующим их соединением с другими элементами устройства. В результате обеспечивается повышение качества нормированных помеховых сигналов без усложнения аппаратуры. 12 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники (РТ) и, в частности, радиолокации (РЛ) и может быть использовано в РЛ приемниках с постоянной частотой ложных тревог (ЛТ), расположенных на воздушных носителях, при обнаружении малоскоростных надводных целей.

В современных РЛ станциях (РЛС) существуют требования, предъявляемые к стабилизации уровня ЛТ. Широкое применение находят специальные устройства стабилизации числа ЛТ, принцип работы которых заключается в нормировании плотности распределения вероятности случайного процесса на выходе РЛ приемника.

Другим примером стабилизации уровня ЛТ, может служить устройство, взятое за прототип, содержащее две многоотводные линии задержки на N-элементов, два сумматора, вычитающее устройство, устройство вычисление модуля, делителя и умножителя на постоянный коэффициент - 1/N, где

N - число усредняемых элементов дальности.

В этом устройстве стабилизация уровня ЛТ осуществляется методом измерения двух параметров распределения вероятности входного случайного процесса (аддитивной смеси эхо-сигналов и шумов приемника) с последующим нормированием: среднего значения (m_x) процесса и его дисперсии (Дх). Известно, что распределение случайного процесса полностью определяется m_х и Дх при условии, что оно является нормальным. Устройство осуществляет качественную стабилизацию при выполнении данного требования, а также при условии, что входной процесс является стационарным и эргодическим. При не выполнении данных требования, например, в случае изменения вида распределения, стабилизации уровня ложных тревог не происходит.

В ряде случаев, например, в РЛС, расположенных на воздушных носителях, при обнаружении малоскоростных надводных целей на фоне отражений от морской поверхности и местных предметов (берега), возникают значительные трудности при стабилизации уровня ЛТ. Это связано с тем, что эхо-сигналы, отраженные от местных предметов и малоскоростных надводных целей, не дифференцируемы по скоростным характеристикам, то есть отсутствует возможность применений системы селекции движущихся целей (СДЦ).

Динамический диапазон помеховых эхо-сигналов сравним по величине с диапазоном сигналов целей и может превосходить его. При этом амплитуда отраженных от местных предметов сигналов, принимаемых размещенной на движущемся объекте бортовой РЛС, подвержена интенсивным флюктуациям вследствие изменений сдвига фаз сигналов, отраженных от различных участков облучаемой земной поверхности. Известно, что огибающая принимаемого суммарного сигнала от многих наземных целей случайная величина, имеется релеевское распределение, а также если на отражающей поверхности земли имеется доминирующий элемент, формирующий отраженный сигнал большой интенсивности и превышающий средний уровень сигналов, отраженных остальной частью облучаемого участка поверхности, то распределение амплитуды отраженного сигнала описывается нормальным распределением относительно этого одиночного сигнала. Обнаружение надводных целей происходит на фоне морской поверхности, и вероятность обнаружения определяется при этом соотношением сигнал цели/сигнал фона.

Известно, что отраженный сигнал определяется отражениями от множества отдельных рассеивающих элементов в пределах разрешения РЛС и флюктуации сигнала от морской поверхности, равно как и в случае местных предметов, описываются функцией плотности вероятности РЕЛЕЯ,

, где

σ_аν - среднее значение ЭПР местных помех σ_с, или в ряде случаев логонормальным распределением

, где

σ_m - среднее значение σ_c, σ_s - среднеквадратичное отклонение; ЭПР - эффективная площадь рассеивания.

Логонормальное распределение отличается от распределения РЕЛЕЯ более высокими "хвостами", что способствует увеличению ложных тревог, чем предполагается при описании отраженных сигналов релеевской статистикой.

Известно, что интенсивность отраженных сигналов местных предметов, значительно превосходит отражения от морской поверхности, представляющие собой шумовой процесс и зависящие от ряда причин: длины волны, разрешающей способности РЛС, диаграммы направленности, угла скольжения и т.д. Обнаружение надводных целей осуществляется на фоне шумового случайного процесса, вызванного отражениями сигналов от морской поверхности, с плотностью распределения вероятности по закону РЕЛЕЯ или логонормальному закону, при наличии помеховых сигналов местных предметов.

Таким образом, входной случайный процесс, представляет собой аддитивную смесь помеховых эхо-сигналов местных предметов, шумоподобных сигналов морской поверхности и целей.

Стабилизация уровня ложных тревог, вызванных отражениями морской поверхности, сводится к определению двух параметров (среднего значения и стандартного отклонения). Случайный процесс (отражения от морской поверхности) стационарен и эргодичен, поэтому среднее значение множества реализации может быть подсчитано по формуле:

следовательно, величина среднего значения может быть вычислена на основе регистрации сигнала х(t) на временном промежутке NT по формуле с точностью, .

В устройстве стабилизации уровня ЛТ вычисление m_х происходит согласно формуле (1).

Аналогично производится относительная оценка Дх, с последующим нормированием m_x и Дх на выходе устройства.

Огибающая эхо-сигналов местных предметов представляет собой случайный процесс, не являющийся стационарным и эргодичным из-за конечной протяженности береговой зоны по дальности, а также движения носителя РЛС. Стабилизация уровня ЛТ в устройстве не обеспечивается полностью, в виду разнообразия законов распределения случайного процесса отражений эхо-сигналов от местных предметов, имеющих значительную интенсивность и большой диапазон флюктуации.

Задача стабилизации уровня ЛТ в РЛС, расположенных на воздушных носителях, при обнаружении малоскоростных надводных целей, на фоне отражений от морской поверхности и местных предметов представляется актуальной и известными методами полностью не решается.

Целью настоящего изобретения является улучшение качества стабилизации уровня ложных тревог, за счет исключения сигналов, отраженных от протяженных образований местных предметов, при сохранении качества обнаружения надводных целей без усложнения аппаратуры.

Поставленная цель достигнута тем, что в устройство, взятое за прототип, включающее многоотводную линию задержки, сумматор и линию задержки, согласно изобретению введены клапан, два пороговых устройства, при этом входом всего устройства является вход линии задержки, соединенный с одним из входов первого порогового устройства, управляющий вход которого подключен к источнику постоянного напряжения, а выход соединен со входом многоотводной линии задержек, соединенной тремя отводами с сумматором, выход которого соединен, с входом второго порогового устройства, управляющий вход которого соединен с источником постоянного напряжения, а выход с управляющим входом клапана, вход которого соединен с линией задержки, а выход является входом всего устройства. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: двух пороговых устройств, клапана и связями с остальными элементами схемы, что соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что вновь введенные блоки сами по себе широко известны в PT и РЛ. Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы выше указанные блоки проявляют новые свойства, что приводит к обеспечению стабилизации уровня ложных тревог при большом уровне помех, так как, по мнению заявителя, впервые в устройствах стабилизации уровня ЛТ используется параметр - протяженность объекта помехи и цели. Сказанное подтверждает соответствие заявляемого технического решения критерию изобретения "существенные отличия".

Изложенная сущность поясняется приведенным графическим материалом и описанием.

На фиг.1 изображена принципиальная структурная схема заявляемого устройства; на фиг.2 - прототипа; на фиг.3, 4, 5, 6, 7, 8 - эпюры напряжений помехи, цели и шума в различных точках схемы заявляемого устройства; на фиг.9, 10, 11, 12 - эпюры напряжений помехи, цели, шума в различных точках схемы прототипа.

На фигурах и в тексте приняты следующие обозначения:

1 - линия задержки;

2 - пороговое устройство;

3 - многоотводная линия задержки;

4 - сумматор;

5 - источник постоянного напряжения;

6 - клапан;

7 - приемный канал, состоящий из последовательно соединенных: антенны - 8, антенного коммутатора - 9, приемника - 10, детектора - 11, некогерентного накопителя - 12.

13 - вычитающее устройство;

14 - делитель;

15 - устройство вычисления модуля;

16 - схема оценки и вычитания среднего значения (m_х);

17 - схема оценки среднеквадратического отклонения (Дх).

Предложенное устройство (см. фиг.1) состоит из линии задержки 1, вход которой соединен со входом первого порогового устройства 2, выход которого соединен со входом многоотводной линии задержки 3, отводы которой соединены со входом сумматора 4, выход которого соединен со входом второго порогового устройства 2, при этом на управляющие входы каждого из пороговых устройств раздельно подключены выходы источника постоянного напряжения 5, выход линии задержки 1 и второго порогового устройства подключены раздельно к соответствующим входам клапана 6, выход которого является выходом всего устройства, входом которого является общая точка соединения входа линии задержки 1 и первого порогового устройства 2, который служит для подключения приемного канала 7.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства на примере прохождения случайного входного процесса, представляющего собой аддитивную сумму помеховых сигналов местных предметов, шумоподобных сигналов морской поверхности и цели.

На фиг.3 изображена эпюра напряжения принимаемого антенной 8, сигнала на выходе антенного коммутатора 10, состоящего из флюктуирующего по амплитуде высокочастотного сигнала помехи, сигнала цели и шумового фона морской поверхности.

Огибающая сигнала помехи, принимаемого от местных предметов, имеет или релеевское распределение, или нормальное или соответствует распределению для синусоидального сигнала на фоне шума. На фиг.3 изображена одна из реализаций сигнала помехи, изменяющая свою интенсивность по дальности в зависимости от расположения на поверхности рассеивающих элементов. С выхода антенного коммутатора 9 входной процесс поступает на вход приемного канала 10 и далее на последовательно соединенные: детектор 11 и некогерентный накопитель 12, где происходит оптимальная полосовая фильтрация, амплитудное детектирование и накопление входной информации. В результате на выходе некогерентного накопителя 12 огибающая входного случайного процесса имеет нормальное распределение, но в месте действия помехи не являющегося стационарным и эргодическим, т.к. его функция корреляции зависит от временных интервалов т.е.

не равна k(τ), где τ=t₂-t₁.

На выходе некогерентного накопителя 12 динамический диапазон помехи и цели возрастает на величину порядка раз, где N число накапливаемых реализаций. На фиг.4 изображена эпюра напряжений сигнала помехи, цели и шумового фона на выходе некогерентного накопителя 12. С выхода некогерентного накопителя 12 сигналы поступают на первое пороговое устройство 2 с уровнем порога И_пор, равного утроенному среднеквадратическому отклонению шумового фона (3σ_ш), устанавливаемому в источнике постоянного напряжения 5. И_пор рассчитывается теоретически или подбирается экспериментально из условия обеспечения необходимой вероятности ложной тревоги на индикаторном устройстве РЛС. При этом на выходе первого порогового устройства сформируются два строба равной амплитуды, но разной протяженности - строб цели длительностью Тп и строб помехи длительностью Тп=m·Ти, где m коэффициент (const).

На фиг.5 изображены стробы помехи и цели. С выхода первого порогового устройства 2 импульсные сигналы поступают на вход многоотводной линии задержки 3, имеющей три отвода с общей задержкой 2 Тп и сумматора 4, где происходит интегрирование импульсных сигналов. Импульсный сигнал помехи накапливается до амплитуды 3А и увеличивается по длительности на величину 2Ти. На фиг.6 изображены сигналы помехи и цели на выходе сумматора 4. С выхода сумматора 4 сигналы помехи и цели поступают на второе пороговое устройство 2, на управляющий вход которого подается постоянное напряжение равное уровню напряжения возникающего на выходе первого порогового устройства 2 при превышении порога срабатывания и равного А.

В результате на выходе второго порогового устройства 2 формируется строб, равный по длительности сигналу помехи Тп и задержанный относительно нее на длительность Ти. Исходный процесс с выхода некогерентного накопителя 12 поступает в линию задержки 1, где осуществляется задержка на величину, равную Ти. С выхода линии задержки 1 сигналы поступают на клапан 6, на управляющий вход которого подается сформированный строб длительностью Тп. В клапанирующем устройстве 6 происходит стробирование помехи, с сохранением информации о сигнале цели, чем и обеспечивается стабилизация уровня ЛТ в предлагаемом устройстве.

Для сравнения с предлагаемым устройством рассмотрим прохождение аналогичного входного сигнала через устройство прототипа (фиг.2.) Распределение сигнала помехи не является стационарным и эргодическим, т.е. имеется жесткая зависимость между сигналами, пришедшими с различных элементов дальности. При этом схема оценок и вычитания среднего значения (m_х) 16 нормирует медианное значение помехового сигнала с дисперсией оценки , где - дисперсия случайного процесса, N - число усредняемых временных интервалов по дальности. На фиг.9 изображена эпюра напряжения огибающей сигналов помехи, цели и шума на выходе схемы оценки и вычитания m_x 16. На выходе схемы 16 происходит нормировка медианного значения с сохранением флюктуации огибающей помехи при наличие на отражающей поверхности земли доминирующих элементов, формирующих отраженный сигнал с интенсивностью, превышающей средний уровень сигналов, присутствие которых всегда имеет место.

Для оценки среднеквадратического отклонения случайного процесса огибающей сигналов применяется схема 17, которая осуществляет относительное измерение Дх. В схеме вычисление Дх 17 производится измерение среднеквадратичного отклонения аналогично измерению m_x в схеме 16. Отличие заключается в том, что на вход схемы 17 поступает процесс, преобразованный в линии задержки 1 вычитающем устройстве 13 и устройстве взятия модуля 15, в которых осуществляется преобразования вида: ,

где x(t) - огибающая исходного сигнала;

Ти - величина временной задержки в линии задержки 1.

Для стационарного процесса преобразование (3) эквивалентно "быстрой" оценки с последующим вычитанием среднего значения) m_х .

На фиг.10 изображена эпюра напряжения огибающей сигналов на выходе устройства взятия модуля 13, которая в месте действия помехи и цели растягивается по длительности в 2 раза. На фиг.11 изображена эпюра напряжения на выходе схемы вычисления дисперсии 17. Ввиду нестационарности случайного процесса изменения огибающей, в месте действия помехи и цели (фиг.4) не происходит нормирование сильных флюктуаций помехи на выходе делителя 14, где осуществляется деление огибающей процесса на выходе устройства 16 (фиг.9) на огибающую сигнала (фиг.11). На фиг.12 изображено напряжение сигналов на выходе делителя 14. Устройство стабилизации уровня ЛТ при воздействии на его вход отражений от местных предметов не обеспечивает постоянного числа ЛТ, ввиду нестационарности процесса изменения огибающей помехового сигнала и ее интенсивным флюктуациям.

Таким образом, предлагаемое устройство стабилизации уровня ЛТ позволяет существенно повысить качество нормировки помеховых сигналов за счет исключения сигналов, отраженных от протяженных образований местных предметов, на выходе устройства, без усложнения аппаратуры, в связи с уменьшением числа используемых элементов.

Формула изобретения

Устройство стабилизации ложных тревог помехозащищенного радиоприемника, расположенного на воздушных носителях, содержащее многоотводную линию задержки (МПЗ), отводы которой соединены с входами сумматора, линию задержки, вход которой является входом всего устройства и являющийся входом сигнала приемного канала, отличающееся тем, что, с целью повышения качества стабилизации при большом уровне помеховых сигналов за счет исключения отраженных сигналов от протяженных образований местных предметов, в него введены два пороговых блока и блок стробирования, при этом вход первого порогового блока соединен с входом линии задержки, а его выход - с входом МЛЗ, вход второго порогового блока соединен с выходом сумматора, при этом управляющие входы каждого порогового блока подключены к соответствующим выходам блока постоянного напряжения, выход линии задержки и второго порогового блока подключены к соответствующим входам блока стробирования, выход которого является выходом устройства.

РИСУНКИ