Устройство обработки сигнала и блоки для его реализации

 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях для обработки сигнала. В основу изобретения положена техническая задача создания устройства, обеспечивающего исключение ложного обнаружения объекта за счет действия боковых лепестков сжатого сигнала, при сохранении параметров согласованной обработки, а также создание весового фильтра с управляемой весовой функцией. Эта задача решается за счет введения дополнительных каналов весовой обработки и блока распознавания сигнала и бокового лепестка, взаимодействующих между собой на основе способа обработки, основанного на использовании различной зависимости уровня сигнала и его боковых лепестков от смены весовой функции. Технический результат заключается в исключении ложного обнаружения за счет действия боковых лепестков сжатого сигнала. 6 с.п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) для обработки сигнала.

В современных РЛС широко используются сигналы сравнительно большой длительности с внутриимпульсной модуляцией (Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника, т. 3, М., Сов. радио, 1979, с.400, 402). Обнаруживают такой сигнал после временного сжатия импульса в согласованном фильтре.

Выходной сигнал после согласованной обработки состоит из сжатого импульса, временное положение которого соответствует по дальности положению объекту, и ряда дополнительных откликов (боковых лепестков), соответствующих другим значениям дальности - ложным положениям объекта.

Боковые лепестки существенно меньше по мощности, чем сигнал. Так, для прямоугольного сигнала с линейной частотной модуляцией максимальный уровень бокового лепестка (УБЛ) на 13,2 дБ ниже сигнала (там же с. 433, рис. 25 и с. 434, табл. 9). Поэтому исключают боковые лепестки за счет сравнения амплитуды сжатого сигнала с порогом, который устанавливают выше максимального УБЛ. Эту операцию выполняют с помощью устройства обработки сигнала, состоящего из последовательно соединенных согласованного фильтра и ячейки порога (фиг. 1).

Недостаток этого устройства состоит в том, что при большом уровне принимаемого колебания (УБЛ) может превысить пороговый уровень, при этом вместо одного объекта будет обнаружено несколько ложных, смещенных относительно истинного по дальности. Это приведет к возрастанию уровня ложной тревоги.

Известно устройство обработки сигнала, содержащее в дополнение к указанному выше устройство автоматического регулирования усиления (Справочник по радиолокации ... с. 170), что эквивалентно автоматическому изменению уровня порога. При этом уровень усиления сигнала, поступающего на согласованный фильтр, изменяется в зависимости от уровня мешающих сигналов. Но боковой лепесток не будет восприниматься устройством как мешающий, поскольку он, практически, не отличается от сигнала. Поэтому такое устройство не может быть использовано для исключения бокового лепестка.

Известно устройство обработки сигнала с фазовым различением (там же с. 172 - 173). В устройстве принимаемое колебание до поступления на согласованный фильтр ограничивают на уровне значительно ниже уровня шумов. Недостаток этого устройства состоит во взаимном подавлении сигналов от близкорасположенных объектов за счет перекрытия колебаний.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство обнаружения сигнала с весовой фильтрацией (там же с. 430, а также Теоретические основы радиолокации, под ред. Я.Д. Ширмана, М., Сов. радио, 1970, с. 143 - 145).

Устройство включает в себя последовательно соединенные весовой фильтр, вход которого является входом устройства и ячейку порога, выход которой является выходом обнаружителя (фиг. 2). Известно построение весового фильтра на ультразвуковой линии задержки, при этом в отличие от устройства согласованной фильтрации суммирование частей колебания осуществляется с весовыми коэффициентами a_j при j = 1 - N, которые определяют уровень снимаемого колебания. Значения коэффициентов определяются видом весовой функции - ϕ(f) и реализуются с помощью установки соответствующего значения перекрытия соседних разнополярных электродов встречно-штыревого преобразователя (В.И. Речицкий... с. 107, с. 109, 3 абз. снизу, с. 123 1 абз.).

В результате суммирования частей колебания получают сжатый сигнал, амплитуда которого и сравнивается с пороговым уровнем. Чаще всего используют весовую обработку по Хеммингу (Справочник по радиолокации ... с. 434, табл. 9, п. 4a), поскольку она дает уменьшение бокового лепестка с -13,2 дБ до -42,8 дБ при приемлемых для большинства ситуаций расширении сигнала на 1,44 дБ и ухудшении отношения сигнал/шум на 1,34 дБ. Если же ухудшение этих параметров будет неприемлемым, то могут быть использованы другие виды весовых функций (там же). Для устройства, основанного на весовой обработке сигнала, остается тот же недостаток, что и для согласованной обработки: при большом уровне принимаемого колебания возможно ложное обнаружение сигнала за счет боковых лепестков, хотя для этого потребуется больший уровень сигнала (примерно на 25 дБ), чем при согласованной обработке.

Изобретение направлено на решение следующей задачи: создание устройства обработки сигнала, обеспечивающего исключение ложного обнаружения сигнала за счет действия боковых лепестков, независимо от уровня сигнала, а также - создание весового фильтра с управляемой весовой функцией. Эта задача решается за счет введения дополнительных каналов весовой обработки и блока распознавания сигнала и бокового лепестка, взаимодействющих между собой на основе способа обработки радиолокационного сигнала по патенту N 2112992, который основан на весовой обработке принимаемого колебания и на сравнении с порогом и в котором проводят дополнительную весовую обработку при одной или более видах весовой функции, определяют различия в результатах обработки и сравнивают их с пороговыми уровнями, при этом различные виды весовой обработки, как вариант, выполняют путем обработки при двух значениях функции ϕ(f) и 1-ϕ(f) и суммируют сжатые колебания с различным весом, причем в процессе суммирования изменяют вес с частотой, превышающей ширину спектра сигнала, и применяют решение о наличии бокового лепестка, если глубина вызываемого этим изменением модуляции выше пороговой, а также принимают решение о наличии сигнала, если амплитуда суммарного сигнала выше пороговой и отсутствует решение о наличии бокового лепестка.

Указанный результат достигается тем, что в устройство обработки сигнала, содержащее весовой фильтр, вход которого является входом устройства согласно изобретению введены генератор колебаний и блок распознавания сигнала и бокового лепестка, а в качестве весового фильтра взят фильтр с управляемой весовой функцией и в него введен второй вход, при этом выход генератора соединен со вторым входом фильтра, выход фильтра со входом блока распознавания, а первый и второй выходы блока являются выходами устройства.

Тем, что в блок распознавания, содержащий измеритель отношений уровней сигнала, согласно изобретению введены сглаживающий фильтр и фильтр частоты генератора колебаний, ячейки порогов П₁ и П₂ и ячейку запрета, при этом входы фильтров соединены и являются входами блока, а выходы - со входами измерителя, вход ячейки порогов П₁ соединен с выходом сглаживающего фильтра, а выход является выходом канала обнаружения сигнала - первым выходом блока, вход ячейки порогов П₂ соединен с выходом измерителя, а выход - с 1-м входом ячейки запрета, 2-й вход которой соединен с выходом фильтра частоты генератора колебаний, а выход является выходом канала обнаружения бокового лепестка - вторым выходом блока. А также тем, что в весовой фильтр с управляемой весовой функцией, содержащий двухканальный блок весовой фильтрации, вход которого является входом фильтра, согласно изобретению введен блок управления весовой функцией, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами двухканального блока, третий является вторым входом фильтра, а выход - выход фильтра.

Тем, что блок управления весовой функцией, содержащий усилитель У₁, усилитель У₂ с регулируемым коэффициентом усиления и сумматор, согласно изобретению вход усилителя У₁ является первым входом блока, первый вход У₂ - вторым входом, второй вход У₂ - третьим входом блока, первый и второй входы сумматора соединены с выходами усилителей, а выход является выходом блока.

Или указанный результат достигается тем, что в устройство обработки сигнала, содержащее последовательно соединенные согласованный фильтр, вход которого является входом устройства и ячейку порога, выход которой является первым входом устройства, согласно изобретению введен блок обнаружения бокового лепестка, первый вход которого соединен со входом фильтра, а второй - с его выходом, а выход является вторым выходом устройства. А также тем, что в блок обнаружения бокового лепестка, содержащий измеритель отношений уровней сигналов, согласно изобретению введены генератор колебаний, последовательно соединенные весовой фильтр, вход которого является первым входом блока, усилитель, 2-й вход которого соединен с выходом генератора, ячейка вычитания, 2-й вход которой соединен с 1-м входом измерителя и является вторым входом блока, и фильтр частоты генератора, выход которого соединен со 2-м входом измерителя, и последовательно соединенные ячейка порога, вход которой соединен с выходом измерителя, и ячейка запрета, 2-й вход которой соединен со 2-м входом измерителя, а выход - является выходом блока.

Изобретение иллюстрируется схемами.

На фиг. 1, 2 приведена блок-схема известных устройств, основанных соответственно на согласованной и весовой фильтрации принимаемого колебания, на фиг. 3 - блок-схема предлагаемого устройства обработки, на фиг. 4 - блок-схема предлагаемого блока распознавания сигнала и бокового лепестка, на фиг. 5 - предлагаемого весового фильтра с управляемой весового функцией, на фиг. 6 - предлагаемого блока управления весовой функцией, на фиг. 7 приведена блок-схема второго варианта предлагаемого устройства, а на фиг. 8 - предлагаемого блока обнаружения бокового лепестка.

Известное устройство обработки (фиг. 1, фиг. 2) состоит из последовательно соединенных согласованного или весового фильтра, вход которого является входом устройства и ячейки порога, выход которого является его выходом.

Предлагаемое устройство обработки сигнала (фиг. 3) включает в себя последовательно соединенные весовой фильтр с управляемой весовой функцией, 1-й вход которого является входом устройства, и блока распознавания сигнала и бокового лепестка, 1-й и 2-й выходы которого являются выходами устройства, и, кроме того, генератор колебаний, выход которого соединен со вторым входом фильтра.

Предлагаемый блок распознавания сигнала и бокового лепестка (фиг. 4) состоит из сглаживающего фильтра и фильтра частоты генератора, входы которых соединены и являются входом блока, а выходы - соответственно с 1-м и 2-м входом измерителя отношений уровней сигнала, ячейки порога П₁, вход которой соединен с выходом сглаживающего фильтра, а выход - выходом канала обнаружения сигнала - первым выходом блока и из последовательно соединенных ячейки порога П₂, вход которой соединен с выходом измерителя и ячейки запрета, выход которой является выходом канала обнаружения бокового лепестка - вторым выходом блока, а 2-й вход соединен с выходом фильтра частоты генератора.

Предлагаемый весовой фильтр с управляемой весовой функцией (фиг. 5) состоит из двухканального блока весовой фильтрации, вход которого является первым входом фильтра и блока управления весовой функции, 1-й, 2-й входы которого соединены с 1-м, 2-м выходами двухканального блока, 3-й вход является вторым входом фильтра, а выход - выходом фильтра.

Предлагаемый блок управления весовой функцией (фиг. 6) состоит из усилителя У₁, вход которого является первым входом блока, усилителя У₂ с регулируемым коэффициентом усиления, 1-й вход которого является вторым входом блока, 2-й вход - третьим входом блока, и сумматора, 1-й и 2-й входы которого соединены с выходами соответственно усилителей У₁ и У₂, а выход является выходом блока.

Предлагаемое устройство обработки по второму варианту (фиг. 7) состоит из последовательно соединенных согласованного фильтра, вход которого является входом устройства и ячейки порога, выход которой является первым выходом устройства, и блока обнаружения бокового лепестка, 1-й вход которого соединен со входом фильтра, 2-й вход - с его выходом, а выход является вторым выходом устройства.

Предлагаемый блок обнаружения бокового лепестка состоит из измерителя отношений уровней сигналов, генератора колебаний и последовательно соединенных весового фильтра, вход которого является первым входом блока, усилителя, 2-й вход которого соединен с выходом генератора, ячейки вычитания, 2-й вход которой соединен с 1-м входом измерителя и является вторым входом блока и фильтра частоты генератора, выход которого соединен со 2-м входом измерителя и последовательно соединенных ячейки порога, вход которой соединен с выходом измерителя и ячейки запрета, 2-й вход которой соединен со 2-м входом измерителя, а выход является выходом блока.

Заявляемое устройство работает следующим образом: На вход устройства обработки сигнала (фиг. 3) поступает колебание. В весовом фильтре с управляемой весовой функцией сигнал сжимается во времени. В процессе сжатия вид весовой функции изменяется за счет воздействия на фильтр колебания генератора. В результате этого на выходе фильтра будет получено колебание с модуляцией в области бокового лепестка и, практически, с отсутствием модуляции в области главного лепестка (см. материалы патента N 2112992 ст. 12, 1 абз.).

Используя эти различия, блок распознавания сигнала и бокового лепестка в случае действия главного лепестка сигнала выдает сигнал только на первом выходе, а если действует боковой лепесток, то еще и на втором выходе. Таким образом, признаком обнаружения бокового лепестка является наличие сигнала на втором выходе устройства, а главного лепестка - только на первом выходе.

Блок распознавания (фиг. 4) работает следующим образом: Сглаживающий фильтр и фильтр частоты генератора выделяют соответственно огибающую амплитудно-модулированного импульса и модулирующее колебание. Далее определяют отношение их амплитуд с помощью измерителя отношений. Если значение из отношения меньше порога ячейки П₂ (т.е. глубина модуляции больше пороговой величины), то сигнал с выхода ячейки запрета не пройдет и тогда сигнал с выхода фильтра частоты генератора поступает на выход 2 блока. Когда же значения отношения амплитуд выше порога ячейки П₂ (т.е. глубина модуляции меньше пороговой величины, что свидетельствует об обнаружении главного лепестка), то сигнал с выхода фильтра частоты генератора на выходе 2 блока будет отсутствовать. Измеритель отношений уровней сигналов может быть построен, например, на основе 2-х логарифмических усилителей, входы которых являются 1-м и 2-м входами измерителя и ячейки вычитания, 1-й и 2-й входы которой соединены с выходами усилителей, а выход является выходом измерителя (теоретические основы радиолокации, под ред. Я.Д. Ширмана, М., Сов. радио, 1970, с. 297, рис. 5.62).

Весовой фильтр с управляемой весовой функцией (фиг. 4) работает следующим образом. Колебание поступает на вход двухканального весового фильтра и сжимается во времени с использованием весовых функций в каналах ϕ₁(f) ≠ ϕ₂(f), сжатые импульсы с выходов двухканального фильтра далее суммируются в блоке управления весовой функцией (фиг. 5). При этом весовой коэффициент a_j в момент времени t_j будет определяться выражением где K_tj - коэффициент усиления усилителя У₂ в момент времени, определяемый воздействием генератора колебаний на третий вход блока или второй вход усилителя У₂.

Если ϕ₂(f) = 1-ϕ₁(f) и условно примем K₁ = 1, то получим При K_tj = 1 получим весовой коэффициент, соответствующий согласованной обработке, и уровень сигнала будет максимальным, при K_tj = 0, весовой коэффициент будет определяться только весовой функцией ϕ(f) - сигнал будет минимальным.

Двухканальный блок весовой фильтрации может быть выполнен с помощью двух независимых весовых фильтров, использующих весовые функции ϕ₁(f) ≠ ϕ₂(f) . При этом входы фильтров соединяют и делают входом фильтра с управляемой весовой функцией.

Весовой фильтр с управляемой весовой функцией может быть использован самостоятельно там, где требуется оперативное изменение весовой функции. Предлагаемое устройство по второму (фиг. 7) варианту работает следующим образом.

Канал обнаружения сигнала, работа которого основана на согласованной фильтрации (весовая функция ϕ₁(f) = 1), выполнен по известной блок-схеме (фиг. 1) и работает независимо от блока обнаружения бокового лепестка (в этом преимущество перед первым вариантом).

Блок обнаружения бокового лепестка (фиг. 8) работает следующим образом.

Принимаемое колебание сжимается в весовом фильтре с весовой функцией ϕ(f) ≠ 1, усиливается в усилителе с переменным коэффициентом усиления K_t и вычитается из сигнала, обработанного в согласованном фильтре. Такая обработка будет эквивалентна весовой обработке, при которой весовой коэффициент в момент времени t_j будет определяться При ϕ(f) = 1-ϕ(f) получим
При K_tj = 0 получим весовой коэффициент, соответствующий согласованной обработке (уровень сигнала максимальный), а при K_tj = 1, и сигнал будет минимальным (см. выше). Далее блок работает аналогично блоку по первому варианту (фиг. 4).

Формула изобретения

1. Устройство обработки сигнала, содержащее весовой фильтр, вход которого является входом устройства, отличающееся тем, что в него введены генератор колебаний и блок распознавания сигнала и бокового лепестка, а в качестве весового фильтра взят фильтр с управляемой весовой функцией и в него введен второй вход, при этом выход генератора соединен со вторым входом фильтра, выход фильтра - со входом блока распознавания, а первый и второй выходы блока являются выходами устройства.

2. Блок распознавания, содержащий измеритель отношений уровней сигналов, отличающийся тем, что в него введены сглаживающий фильтр и фильтр частоты генератора колебаний, ячейки порогов П₁ и П₂ и ячейка запрета, при этом входы фильтров соединены и являются входом блока, а выходы соединены со входами измерителя, вход ячейки порогов П₁ соединен с выходом сглаживающего фильтра, а выход - является выходом канала обнаружения сигнала - первым выходом блока, вход ячейки порогов П₂ соединен с выходом измерителя, а выход - с первым входом ячейки запрета, второй вход которой соединен с выходом фильтра частоты генератора колебаний, а выход - является выходом канала обнаружения бокового лепестка - вторым выходом блока.

3. Весовой фильтр с управляемой весовой функцией, содержащий двухканальный блок весовой фильтрации, вход которого является входом фильтра, отличающийся тем, что в него введен блок управления весовой функцией, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами двухканального блока, третий - является вторым входом фильтра, а выход - выходом фильтра.

4. Блок управления весовой функцией, содержащий усилитель У₁, усилитель У₂ с регулируемым коэффициентом усиления и сумматор, отличающийся тем, что вход усилителя У₁ является первым входом блока, первый вход У₂ - вторым входом блока, второй вход У₂ - третьим входом блока, первый и второй входы сумматора соединены с выходами усилителей, а выход является выходом блока.

5. Устройство обработки сигнала, содержащее последовательно соединенные согласованный фильтр, вход которого является входом устройства и ячейку порога, выход которой является первым выходом устройства, отличающееся тем, что в него введен блок обнаружения бокового лепестка, первый вход которого соединен со входом фильтра, а второй - с его выходом, а выход является вторым выходом устройства.

6. Блок обнаружения бокового лепестка, содержащий измеритель отношений уровней сигналов, отличающийся тем, что в него введены генератор колебаний, последовательно соединенные весовой фильтр, вход которого является первым входом блока, усилитель, второй вход которого соединен с выходом генератора, ячейка вычитания, второй вход которой соединен с первым входом измерителя и является вторым входом блока, и фильтр частоты генератора, выход которого соединен со вторым входом измерителя, и последовательно соединенные ячейка порога, вход которой соединен с выходом измерителя, и ячейка запрета, второй вход которой соединен со вторым входом измерителя, а выход является выходом блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8