Способ защиты от импульсных помех при обнаружении сложных радиолокационных сигналов

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для обнаружения полезных импульсных эхосигналов на фоне собственного шума приемного тракта и внешних импульсных помех. Технический результат - повышение надежности обнаружения в результате повышения качества защиты от коротких сильных импульсных помех посредством амплитудного ограничения на входе временной обработки в соответствии с адаптивным порогом ограничения, формируемым на основе порядковых статистик, при сохранении эффективного различения полезных и мешающих сигналов, основанного на формировании адаптивного порога различения, на выходе первичной обработки. Для достижения указанного технического результата в способе защиты от импульсных помех, представляющем собой амплитудное ограничение сигналов на входе временной внутрипериодной обработки, включающей фильтрацию сигнально-помеховой смеси с помощью фильтра сжатия и предшествующей межпериодному накоплению пачки одиночных полезных сигналов и пороговому различению полезных и мешающих сигналов на выходе первичной обработки, амплитудное ограничение проводят в режиме защиты от коротких импульсных помех в соответствии с дополнительным (по отношению к адаптивному порогу различения полезных и мешающих сигналов на выходе первичной обработки) адаптивным порогом ограничения, который формируют на основе одной (Х^(К)) из порядковых статистик, образованных расположением в порядке неубывания амплитуд отсчетов сигнально-помеховой смеси, содержащихся в L элементах скользящего по дальности окна данных, посредством умножения указанной статистики на коэффициент Т, выбираемый из условия заданной вероятности превышения уровня порога ограничения амплитудами отсчетов собственного шума приемного тракта, при этом номер К используемой порядковой статистики и длину L скользящего окна данных выбирают в соответствии с неравенствами K≥L/2 и (L-K)≤N_ц, где N_ц - количество отсчетов одиночного полезного сигнала на входе временной обработки. 5 ил.

 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для обнаружения полезных импульсных эхо-сигналов на фоне собственного шума приемного тракта и внешних импульсных помех.

Проблема борьбы с сильными импульсными помехами имеет двоякий характер. С одной стороны, желательно минимизировать количество ложных тревог, создаваемых импульсными помехами на выходе первичной обработки сигналов. Другая задача состоит в том, чтобы максимально ослабить маскирующее действие импульсных помех при их наложении (во времени) на полезные сигналы, что снижает качество обнаружения и измерения параметров этих сигналов.

Первая из указанных проблем в значительной степени может быть решена с помощью адаптивного порога различения полезных и мешающих сигналов на выходе первичной обработки. Такой порог, в частности, может быть сформирован на основе одной из порядковых статистик, образованных из амплитуд отсчетов процесса, взятых из окрестности испытываемого на наличие полезного сигнала отсчета, посредством умножения указанной статистики на масштабирующий коэффициент, выбираемый из условия обеспечения заданного уровня ложных тревог по собственному шуму приемного тракта (см. патент США №4649394, G01S 7/28, 1987). Следует отметить, что формирование порога различения на выходе первичной обработки, который также можно назвать и порогом обнаружения, основано на различии формы мешающих и полезных сигналов и, в частности, их эффективной длительности.

Однако для решения второй из указанных проблем борьбы с импульсными помехами, состоящей в ослаблении их маскирующего действия по отношению к полезным сигналам, желательно ввести дополнительное (по отношению к последующей селекции полезных и мешающих сигналов на выходе первичной обработки) подавление импульсных помех еще на входе временной обработки. Простейшим и вместе с тем весьма эффективным способом такого подавления - прототипом заявляемого способа является жесткое ограничение процесса на входе фильтра сжатия одиночного полезного сигнала (см. кн. Лезина Ю.С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем. М., «Радио и связь», 1986, с.209-211, рис.11.2) с последующим межпериодным накоплением пачки одиночных полезных сигналов и сравнением выходного эффекта с пороговым уровнем на выходе первичной обработки.

При таком ограничении импульсная помеха, будучи несинхронной (т.е. имеющей период повторения, несовпадающий с периодом зондирования РЛС), при последующем межпериодном накоплении становится существенно меньше собственного шума и, вследствие этого, не вносит ощутимых потерь в обнаружении полезных сигналов.

Однако жесткое ограничение процесса имеет ряд недостатков.

Во-первых, при обнаружении слабых (пороговых) сигналов такое ограничение вносит потери около 1 дБ (см. статью Черняка Ю.Б. Чувствительность, точность и разрешающая способность многоканального приемника с широкополосным ограничителем. - Радиотехника и электроника, 1962, №8, с.1306).

Во-вторых, при перекрытии во времени двух полезных сигналов происходит подавление слабого сигнала сильным (см. упомянутую книгу Лезина, с.178), что может приводить к маскировке слабого сигнала боковыми лепестками сильного при последующей обработке их смеси в фильтре сжатия. В дополнение к этому при использовании в качестве зондирующего сигнала импульсов с линейной частотной модуляцией (а это довольно распространенный на практике случай) при перекрытии полезных сигналов во времени возникают так называемые сигналы-спутники, которые значительно ухудшают разрешающую способность по дальности (см. упомянутую книгу Лезина, с.178).

И, наконец, в третьих, даже при наличии только единственного полезного сигнала его огибающая может существенно деформироваться при жестком ограничении (например, при ограничении сигнала с колоколообразной огибающей), что также нежелательно.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков посредством формирования переменного во времени уровня ограничения, позволяющего проводить дополнительную (по отношению к последующему различению полезных и мешающих сигналов на выходе первичной обработки) селекцию сигналов по длительности для того, чтобы осуществлять ограничение процесса только при наличии коротких импульсных помех, повышая тем самым, в сочетании с появлением у ограничителя избирательности его режима, качество защиты от импульсных помех, что при сохранении эффективности различения на выходе первичной обработки повышает надежность обнаружения полезных сигналов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе защиты от импульсных помех при обнаружении сложных радиолокационных сигналов, представляющем собой амплитудное ограничение сигналов на входе временной внутрипериодной обработки, включающей фильтрацию сигнально-помеховой смеси с помощью фильтра сжатия и предшествующей межпериодному накоплению пачки одиночных полезных сигналов и пороговому различению полезных и мешающих сигналов на выходе первичной обработки, амплитудное ограничение проводят в режиме защиты от коротких импульсных помех в соответствии с дополнительным (по отношению к адаптивному порогу различения полезных и мешающих сигналов на выходе первичной обработки) адаптивным порогом ограничения, который формируют на основе одной (Х^(K)) из порядковых статистик, образованных расположением в порядке неубывания амплитуд отсчетов сигнально-помеховой смеси, содержащихся в L элементах скользящего по дальности окна данных, посредством умножения указанной статистики на коэффициент Т, выбираемый из условия заданной вероятности превышения уровня порога ограничения амплитудами отсчетов собственного шума приемного тракта, при этом номер К используемой порядковой статистики и длину L скользящего окна данных выбирают в соответствии с неравенствами и (L-K)≤N_ц, где N_ц - количество отсчетов одиночного полезного сигнала на входе временной обработки.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, реализующего защиту от импульсных помех при обнаружении сложных радиолокационных сигналов в соответствии с заявляемым способом; на фиг.2 - амплитудная характеристика ограничителя по способу-прототипу; на фиг.3 - пример сигнально-помеховой ситуации на выходе амплитудного детектора в приемном тракте; на фиг.4 и 5 - примеры сигнально-помеховой ситуации в частотной области, поясняющие обоснование устранения недостатков прототипа в заявляемом способе.

Устройство для защиты от импульсных помех при обнаружении сложных радиолокационных сигналов в соответствии с заявляемым способом (см. фиг.1) содержит линию задержки на L/2 отсчетов (ЛЗ) 1, на входе соединенную с выходом пространственной обработки в приемном тракте (на входе временной обработки) и своим выходом соединенную с первым входом адаптивного амплитудного ограничителя (ААО) 2, имеющим выход на оптимальный фильтр (фильтр сжатия). При этом с выходом пространственной обработки через амплитудный детектор (АД) 3 соединен вход линии задержки на L отсчетов (ЛЗ) 4, которая своим многоканальным выходом соединена с многоканальным входом блока ранжирования (БР) 5, соединенного выходом с первым входом умножителя 6 с подводом к его второму входу коэффициента Т, обеспечивающего заданную вероятность превышения порога ограничения амплитудными выбросами шума приемного тракта. Умножитель 6 в свою очередь выходом подключен к первому входу компаратора (К-р) 7 и к второму входу ААО 2, а К-р 7 своим вторым входом соединен через амплитудный детектор (АД) 8 с выходом ЛЗ 1 и выходом подключен к третьему входу ААО 2.

Способ защиты от импульсных помех при обнаружении сложных радиолокационных сигналов осуществляют следующим образом.

Процесс с выхода пространственной обработки в виде дискретизированных по времени квадратурных составляющих, представляющих собой реальную и мнимую часть его комплексной амплитуды, поступает на АД 3, осуществляющий операцию извлечения квадратного корня из суммы квадратов реальной и мнимой части каждого комплексного отсчета, и на ЛЗ 1 для задержки входного процесса на время, необходимое для формирования предлагаемого адаптивного порога ограничения.

С выхода АД 3 отсчеты направляют на ЛЗ 4, содержащую L выводов с интервалом между ними в один отсчет и выполняющую функцию скользящего по дальности окна данных. Внутри этого окна БР 5 располагает отсчеты X₁...X_L, подаваемые на него в данный момент времени из ЛЗ 4 в порядке неубывания, образуя так называемый вариационный ряд X⁽¹⁾≤X⁽²⁾≤...≤X^(L), элементы которого называются порядковыми статистиками. Затем в БР 5 из указанного вариационного ряда извлекают одну из порядковых статистик Х^(К) при условии K≥L/2 и подают на первый вход умножителя 6 для умножения этой порядковой статистики на масштабирующий множитель Т, поступающий на второй вход умножителя 6 и являющийся коэффициентом, выбираемым из условия заданной вероятности превышения порога ограничения амплитудами выбросов шума приемного тракта, после чего сформированный таким образом уровень адаптивного порога ограничения направляют на первый вход К-ра 7, на второй вход которого подают входной процесс, прошедший через ЛЗ 1 и АД 8 (последний выполняет функцию, подобную АД 3), в результате чего в К-ре 7 отсчет процесса, поступивший с выхода АД 8, сравнивают с уровнем порога ограничения Т Х^(К) и в случае непревышения порога обе квадратурные составляющие, соответствующие данному отсчету, проходят через ААО 2 без изменения, что обеспечивается подачей соответствующей команды с К-ра 7 на вход 3 ААО 2. В противном случае с К-ра 7 поступает противоположная команда и отсчет процесса ограничивается по амплитуде в соответствии с уровнем, подаваемым на вход 2 ААО 2 с умножителя 6 с сохранением при этом фазовых соотношений между квадратурными составляющими (или иными словами аргумента ограничиваемого по амплитуде комплексного отсчета).

Задача защиты от импульсных помех посредством жесткого ограничителя (в соответствии со способом-прототипом), характеристика которого может быть аппроксимирована ступенчатой функцией, показанной на фиг.2, решается недостаточно эффективно, сопровождаясь вышеуказанными недостатками.

Эти недостатки в заявляемом способе устраняются следующим образом.

Предлагаемый способ защиты от импульсных помех базируется на том, что порядковая статистика X^(К) является (с точностью до некоторого коэффициента пропорциональности) оценкой среднеквадратичного отклонения собственного шума, а также - оценкой амплитуды нестационарных воздействий при условии, что их длительность превышает (L-K) отсчетов. Это иллюстрируется фигурой 3, на которой показан процесс на выходе АД 3. Процесс содержит нестационарность «а» длительностью более (L-K) отсчетов, нестационарность «б» длительностью менее (L-K) отсчетов и стационарный собственный шум «в». Видно, что пороговый уровень Т×Х^(К) (пунктирная линия) достаточно адекватно отражает изменение мощности процесса в области нестационарности «а», тогда как в области нестационарности «б» пороговый уровень имеет лишь слабое возмущение, несмотря на то, что нестационарность «б» значительно превосходит по уровню нестационарность «а». Это обусловлено тем, что отсчеты сильной (по отношению к собственному шуму) нестационарности занимают правую часть вариационного ряда X⁽¹⁾≤X⁽²⁾≤...≤X^(K)≤...≤X^(L-1)≤X^(L) (если не весь ряд). При этом очевидно, что если длительность нестационарности не менее (L-K) отсчетов, то порядковая статистика Х^(К) будет одним из отсчетов этой нестационарности, что и обуславливает изменение порогового уровня Т×Х^(К) (см. нестационарность «а» на фиг.3). Если же нестационарность содержит менее (L-K) отсчетов, то статистика Х^(К) является отсчетом собственного шума и пороговый уровень Т×Х^(К) практически не реагирует на присутствие нестационарности (см. нестационарность «б» на фиг.3).

Отсюда следует, что для того, чтобы не происходило ограничения сильных полезных сигналов, параметры L и К должны удовлетворять условию L-К≤N_ц, где N_ц - количество отсчетов одиночного полезного сигнала на входе временной обработки.

Обязательным также является условие K≥L/2, поскольку в противном случае, как несложно показать, пороговый уровень Т×Х^(К) будет не полностью (по времени) накрывать полезный сигнал, что приведет к ограничению нескольких отсчетов сигнала. В связи с условием K≥L/2, следует отметить, что при K=L/2 (когда статистика Х^(К) является выборочной медианой) подъем порогового уровня Т×Х^(К) в области сильного полезного сигнала будет иметь такую же длительность, как и сам сигнал. По мере же дальнейшего увеличения параметра К длительность указанного подъема будет расти и пороговый уровень будет с запасом (по времени) накрывать полезный сигнал, что, как правило, нецелесообразно. Поэтому, следует рекомендовать такое значение К, при котором в условии K≥L/2 имело бы место равенство с точностью до одного - двух отсчетов.

Что касается параметра Т, то он, очевидно, должен выбираться таким образом, чтобы ограничение шумовых выбросов не приводило к потерям в обнаружении слабых сигналов. Это требование, например, обеспечивается таким значением Т, при котором вероятность превышения порогового уровня Т×Х^(К) амплитудами шумовых выбросов находится в интервале 10^-1...10^-2. При этом не более 10% отсчетов смеси шума и слабого полезного сигнала будет подвергаться ограничению (причем нежесткому), что с очевидностью не вносит заметных потерь в обнаружение. Выбрать подходящее значение Т можно с помощью математического моделирования, не прибегая к сложным аналитическим расчетам.

Все указанные требования к параметрам L, К и Т соблюдены в примере сигнально-помеховой ситуации на фиг.3, на котором нестационарность «а» является полезным сигналом, а нестационарность «б» - импульсной помехой. Как следует из примера, полезный сигнал пройдет через устройство для защиты без изменения, а импульсная помеха будет ограничена на уровне, близком к величине максимальных выбросов шума и при последующем межпериодном накоплении будет маскирована шумом.

Следует отметить, что в предлагаемом способе защиты ограничению подвергаются только такие импульсные помехи, длительность которых меньше длительности полезного сигнала, т.е. при выполнении условия N_п<N_ц, где N_п - число отсчетов импульсной помехи.

Однако рассматриваемый случай при обнаружении сложного полезного сигнала наиболее типичен на практике. Действительно, поскольку полезный сигнал сложный, то его длительность существенно превышает величину, обратную ширине Δf_ц спектра сигнала. При этом очевидно, что импульсная помеха, превышающая по длительности полезный сигнал, может присутствовать в приемном тракте РЛС лишь при условии Δf_п≪Δf_ц, где Δf_п - ширина спектра помехи, и, кроме того, несущая частота помехи должна находиться в полосе пропускания приемного тракта, т.е. быть близкой к несущей частоте полезного сигнала. Эта ситуация показана для пояснения на фиг.4. В этом случае, как правило, осуществляется предусмотренное в настоящее время в радиолокации изменение несущей частоты, которое проводится на основе анализа помеховой обстановки и имеет целью переход в наименее зашумленный диапазон частот. В результате этого главный пик спектра импульсной помехи подавляется и она просачивается в приемный тракт только за счет боковых лепестков своего спектра. Такая ситуация показана на фиг.5. Боковые лепестки спектра помехи при этом имеют относительно равномерный характер и поэтому в результате полосовой фильтрации, которая в соответствии с теоремой Котельникова (см. книгу Ширмана Я.Д., Манжоса В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981, с.147) предшествует временной дискретизации процесса, спектр помехи будет иметь ширину порядка Δf_ц, а ее длительность соответственно составит ˜1/Δf_ц. При этом условие N_п<N_ц будет заведомо выполнено и предлагаемый способ защиты будет обеспечивать эффективное подавление импульсных помех, не внося при этом потерь в обнаружение полезных сигналов и не искажая формы их огибающей.

В достаточно же редкой ситуации, когда импульсная помеха по тем или иным причинам превышает по длительности сложный полезный сигнал, проблема борьбы с ней решается с помощью упоминавшегося выше формирования адаптивного порога различения полезных и мешающих сигналов на выходе первичной обработки.

Способ защиты от импульсных помех при обнаружении сложных радиолокационных сигналов, представляющий собой амплитудное ограничение сигналов на входе временной внутрипериодной обработки, включающей фильтрацию сигнально-помеховой смеси с помощью фильтра сжатия и предшествующей межпериодному накоплению пачки одиночных полезных сигналов и пороговому различению полезных и мешающих сигналов на выходе первичной обработки, отличающийся тем, что амплитудное ограничение проводят в режиме защиты от коротких импульсных помех в соответствии с дополнительным, по отношению к адаптивному порогу различения полезных и мешающих сигналов на выходе первичной обработки, адаптивным порогом ограничения, который формируют на основе одной Х^(К) из порядковых статистик, образованных расположением в порядке неубывания амплитуд отсчетов сигнально-помеховой смеси, содержащихся в L элементах скользящего по дальности окна данных, посредством умножения указанной статистики на коэффициент Т, выбираемый из условия заданной вероятности превышения уровня порога ограничения амплитудами отсчетов собственного шума приемного тракта, при этом номер К используемой порядковой статистики и длину L скользящего окна данных выбирают в соответствии с неравенствами и (L-К)≤N_ц, где N_ц - количество отсчетов одиночного полезного сигнала на входе временной обработки.