Устройство для определения параметров движения объекта с защитой от активных шумовых помех

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в РЛС с непрерывным зондирующим сигналом для определения параметров движения объекта. Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является реализация устройства для определения параметров движения объекта с защитой от шумовых активных помех в цифровой форме. Заявленное устройство состоит из диаграммообразующей системы, с помощью которой формируются N парциальных и компенсационный каналы. Центральный парциальный канал содержит блок деления опорного напряжения, приемник, делитель напряжения промежуточной частоты, детектор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Остальные парциальные каналы содержат суммирующие устройства, приемники, детекторы и АЦП. Компенсационный канал содержит приемник, два балансных детектора, фазовращатель π/2 и два АЦП. Кроме того, устройство содержит вычислительное устройство. Все перечисленные средства соединены между собой определенным образом. 2 ил.

 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в РЛС с непрерывным зондирующим сигналом, например, в бистатических радиолокационных комплексах, работающих по методу локации «на просвет» для определения параметров движения объектов.

Известны различные устройства для определения параметров движения объекта в разнесенной радиолокации, например устройство по патенту №2124220, МПК G01S 13/06, заявка №97117868 с приоритетом от 29.10.1997 г., авторы Бляхман А.Б., Рындык А.Г., Ковалев Ф.Н.

Определение местоположения объекта с точностью, близкой к потенциально достижимой, на протяжении всей траектории осуществляется устройством по патенту «Устройство для определения параметров движения объекта» №2154840, МПК G01S 13/06, заявка №99120267 с приоритетом от 23.09.1999 г., авторы Бляхман А.Б., Ковалев Ф.Н., Рындык А.Г, Сидоров С.Б.

Однако, в случае расширения зоны пеленгации за счет увеличения числа парциальных каналов и сужения их ДН, вышеуказанные устройства не обеспечивают необходимой точности определения пеленга движущегося объекта. Повышение точности определения пеленга в случае расширения зоны пеленгации за счет увеличения числа парциальных каналов осуществляет устройство по патенту «Устройство для определения параметров движения цели» №2168740, МПК G01S 13/06, заявка №99120044 с приоритетом от 20.09.1999 г., автор Колосов Р.А.

Основным недостатком вышеуказанных устройств является отсутствие защиты от шумовых активных помех (ШАП) из-за сложности ее осуществления.

Сложность защиты от ШАП с помощью, например, системы автокомпенсации (АК), применяемой в обычных импульсных РЛС, обусловлена тем, что в бистатических РЛС используются непрерывные зондирующие сигналы, а применение АК в тракте промежуточной частоты (ПЧ) до детектора, т.е. во временной области, приводит к вычитанию непрерывных сигналов в силу их когерентности.

В устройстве обнаружения движущихся объектов с защитой от шумовых активных помех по патенту №2246736, МПК G01S 3/74, 7/36, заявка №2003122763 с приоритетом от 21.07.2003 г., авторы Бляхман А.Б, Самарин А.В., для защиты от шумовых активных помех использован аналоговый автокомпенсатор с режекторными фильтрами, один из которых подключен к компенсационному входу автокомпенсатора, включенного между приемником и детектором основного канала, а второй - в цепь обратной связи автокомпенсатора. Применение режекторных фильтров исключает возможность настройки аналогового автокомпенсатора по непрерывным сигналам.

Недостатком данного устройства является наличие сложных элементов, из которых состоит аналоговый автокомпенсатор, а именно балансных модуляторов, умножителей, сумматоров, усилителей и т.д., увеличивающих общие габариты устройства.

Кроме того, недостатком любого аналогового автокомпенсатора является зависимость усиления и эффективной полосы пропускания кольца слежения от уровня помехи, а также дрейфа их параметров.

В настоящее время, в связи с развитием цифровой техники и широким внедрением программных средств обработки сигналов, предпочтительнее применение цифровых автокомпенсаторов, лишенных недостатков аналоговых автокомпенсаторов и обеспечивающих значительную стабильность работы АК, а также возможность применения специальных вычислительных устройств с предварительным преобразованием аналогового сигнала в цифровой.

Устройство обнаружения движущихся объектов с защитой от активных помех, описанное выше, трудно реализовать с помощью специального вычислительного устройства напрямую. При прямом преобразовании шумового напряжения компенсационного канала в цифровую форму по схеме «детектор-АЦП», аналогично преобразованию остальных парциальных каналов, как показало моделирование, низкий уровень опорного напряжения в компенсационном канале приводит к декорреляции шумового напряжения компенсационного канала и, как следствие, к уменьшению эффективности системы АК.

За прототип принимаем устройство по патенту №2168740, как наиболее близкое по схемному решению. Структурная схема устройства представлена на фиг.2, где приняты следующие обозначения:

1 - диаграммообразующая система;

2 - блок деления опорного напряжения;

3 - суммирующее устройство;

4 - приемник;

5 - детектор;

6 - устройство вычисления траекторных параметров.

Устройство-прототип состоит из передающей позиции (на структурной схеме не указана) и в удаленной от источника излучения точке, приемной позиции, которая, в свою очередь, состоит из приемной антенны, на схеме не показана, ДОС 1 с N выходами, каждый из которых, кроме центрального (ц), соединен с одним из входов соответствующего N-1 суммирующего устройства 3, выход которого соединен с приемником 4 и через него с детектором 5. Центральный выход ДОС соединен с блоком деления опорного напряжения 2, центральный выход которого соединен непосредственно с входом приемника 4 центрального канала и через него с детектором 5, а остальные N-1 соединены со вторыми входами суммирующих устройств 3 соответствующих парциальных каналов. Выход каждого детектора 5 соединен с соответствующим входом устройства вычисления траекторных параметров 6.

Вместо аппаратного представления устройства вычисления траекторных параметров возможна программная реализация работы этого устройства, а именно использование вычислительного устройства (ВУ), реализующего алгоритм его работы.

Основным недостатком вышеописанного устройства является отсутствие защиты от ШАП.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является реализация устройства для определения параметров движения объекта от АШП в цифровой форме.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для определения параметров движения объекта - прототипе в приемной позиции с помощью диаграммообразующей системы (ДОС), кроме N парциальных каналов, перекрывающихся по уровню половинной мощности, формируется перекрывающий боковые лепестки диаграммы направленности парциальных каналов компенсационный канал, состоящий из приемника, двух балансных детекторов, фазовращателя и двух АЦП; в центральном парциальном канале, в котором уровень опорного напряжения большой, после приемника вводится делитель напряжения промежуточной частоты, сигнал с которого поступает на детектор основного канала и на балансные детекторы компенсационного канала; для возможности использования ВУ аналоговые сигналы преобразуются в цифровые при помощи вводимых АЦП.

В ВУ путем проведения процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ) сигнал переводится в частотную область и дальнейшая обработка производится в частотной области. После проведения процедуры БПФ осуществляется цифровая автокомпенсация ШАП. Суть цифровой автокомпенсации заключается в осуществлении нулевой корреляции между остатком выходного сигнала основного и компенсационного каналов путем установки весов (весовых коэффициентов).

Структурная схема предлагаемого устройства для определения параметров движения объекта с защитой от ШАП представлена на фигуре 1. На схеме приняты следующие обозначения:

1 - диаграммообразующая система (ДОС);

2 - блок деления опорного напряжения;

3 - суммирующее устройство;

4 - приемник;

5 - детектор;

6 - делитель напряжения промежуточной частоты (ПЧ);

7 - балансный детектор;

8 - фазовращатель π/2;

9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

10 - вычислительное устройство (ВУ).

Заявляемое устройство для определения параметров движения объекта с защитой от ШАП состоит из диаграммообразующей системы (ДОС) 1, с помощью которой формируются N парциальных и компенсационный каналы. Центральный парциальный канал содержит блок деления опорного напряжения 2, приемник 4, делитель напряжения промежуточной частоты 6, детектор 5 и АЦП 9. Все остальные парциальные каналы содержат суммирующие устройства 3, приемники 4, детекторы 5 и АЦП 9. Компенсационный канал содержит приемник 9, два балансных детектора 7, фазовращатель π/2 8 и два АЦП 9. Кроме того, устройство содержит вычислительное устройство 10.

Центральный выход ДОС 1 соединен с входом блока деления опорного напряжения 2, один из выходов которого (центральный) соединен с входом приемника 4 центрального парциального канала, а остальные раздельно соединены со вторыми входами соответствующих N-1 суммирующих устройств 3, первые входы которых соединены с соответствующими выходами ДОС 1. Выход приемника 4 центрального парциального канала соединен с входом делителя напряжения ПЧ 6, первый выход которого соединен с входом детектора (5) центрального канала, а второй выход напрямую соединен со вторым входом первого балансного детектора 7 и через фазовращатель π/2 (8) со вторым входом второго балансного детектора 7 компенсационного канала. Первые входы балансных детекторов 7 соединены с выходом приемника 4 компенсационного канала. Выходы детекторов 5 парциальных каналов и балансных детекторов 7 компенсационного канала соединены с входами АЦП (9), стоящих в каждом канале. Выходы всех АЦП 9 соединены с соответствующими входами ВУ 10.

Устройство работает следующим образом.

Зондирующий непрерывный (немодулированный) сигнал излучается передающей позицией (на схеме не показана), аналогично прототипу. Диаграмма направленности антенны передатчика имеет достаточно большую ширину по азимуту. Антенна приемной позиции (на схеме не показана) принимает прямой сигнал передающей позиции и сигналы, отраженные от цели. Диаграммообразующая система (ДОС) 1 формирует N парциальных каналов с диаграммой направленности (ДН), лучи которой перекрываются по уровню половинной мощности. Прямой сигнал передатчика, принятый центральным парциальным каналом, делится в блоке деления опорного напряжения 2 и подается на суммирующие устройства 3 остальных N-1 парциальных каналов, где складывается с сигналом, принятым самим парциальным каналом. С выхода суммирующих устройств 3 и блока деления опорного напряжения 2 сигнал поступает на соответствующий парциальному каналу приемник 4. В центральном парциальном канале сигнал с выхода приемника 4 поступает на вход делителя напряжения ПЧ 6. С выходов приемников 4 остальных парциальных каналов и первого выхода делителя напряжения ПЧ 6 центрального канала сигналы подаются на входы детекторов 5, где происходит детектирование и выделение низкочастотного колебания из суммарного сигнала, образуемого за счет интерференции прямого сигнала передатчика и сигнала, отраженного от движущегося объекта. С выходов детекторов 5 сигналы поступают на входы АЦП 9, где преобразуются в цифровую форму, и далее подаются на соответствующие входы ВУ 10.

Кроме того, в ДОС 1 формируется компенсационный канал с диаграммой направленности, перекрывающей боковые лепестки ДН всех парциальных каналов. С ДОС 1 в компенсационном канале сигнал поступает на приемник 4 компенсационного канала, с выхода которого сигнал подается на первые (сигнальные) входы балансных детекторов 7. На второй (опорный) вход первого балансного детектора 7 подается сигнал непосредственно с первого выхода делителя напряжения ПЧ 6, а на второй вход второго балансного детектора 7 - через фазовращатель π/2 (8) для создания синфазной и квадратурной составляющих шумового сигнала. С выхода балансных детекторов 7 сигнал поступает на вход АЦП 9 и далее - на соответствующий вход ВУ 10.

После осуществления процедуры быстрого преобразования Фурье, необходимой для перевода процесса обработки сигнала в частотную область, в ВУ 10 реализуется алгоритм автокомпенсации с прямым вычислением весовых коэффициентов.

Далее выполняются алгоритмы, реализующие измерение доплеровской частоты по частоте биений, образуемых при сложении прямого и отраженного от движущегося объекта сигнала, определение направления прихода интерференционного сигнала и угловой координаты. Путем сравнения доплеровских частот сигналов, принятых центральным каналом, с частотами сигналов, принятых остальными парциальными каналами, из дальнейшей обработки удаляются сигналы, частоты которых совпадают с частотой центрального канала. После этого осуществляется процедура экстраполяции функциональных зависимостей частоты Доплера и направления прихода интерференционного сигнала от времени. На основе экстраполированных функциональных зависимостей частоты Доплера и направления прихода интерференционного сигнала от времени определяется экстраполированный момент времени пересечения целью линии базы и поверхность положения. Пространственные координаты движущегося объекта однозначно находятся как координаты точки пересечения поверхности положения и линии направления на цель (линии пеленга).

Таким образом, в предлагаемом устройстве автокомпенсация ШАП проводится в частотной области. Преимущества проведения защиты в частотной области очевидны, это отсутствие довольно сложных блоков, из которых состоят аналоговые автокомпенсаторы, и повышение эффективности автокомпенсации за счет осуществления ее в существенно узкой оптимальной полосе, где коэффициент корреляции ρ имеет большую величину в силу известной формулы

где

a Δf - полоса шумового напряжения, в которой производится автокомпенсация.

Главное принципиальное отличие этого автокомпенсатора заключается в использовании разомкнутой петли слежения.

Работа подобного цифрового автокомпенсатора, представленного аппаратным путем, описана в журнале «Зарубежная радиоэлектроника». №2 за 1986 г. в статье Южакова В.В. «Принципы построения автокомпенсаторов сигналов активных помех», с.50-52 и в патенте США «Устройство подавления боковых лепестков» №4086592, МПК G01S 9/42, по заявке №818180 с приоритетом от 22.07.1977 г., публикация 25.04.1978 г.

Следует подчеркнуть, что использование цифрового автокомпенсатора невозможно без предварительного деления опорного сигнала и применения двух балансных детекторов, обеспечивающих создание в цифровой форме двух квадратурных составляющих компенсационного канала. Кроме того, балансные детекторы обеспечивают защиту компенсационных составляющих от проникновения сигналов цели.

Устройство для определения параметров движения объекта с защитой от шумовых активных помех состоит из диаграммообразующей системы, N парциальных каналов и устройства вычисления траекторных параметров, каждый из парциальных каналов, кроме центрального, содержит суммирующее устройство, приемник и детектор, каждый, кроме центрального, выход диаграммообразующей системы соединен с одним из входов соответствующего суммирующего устройства, центральный канал содержит блок деления опорного напряжения, приемник и детектор, при этом центральный выход диаграммообразующей системы соединен с блоком деления опорного напряжения, центральный выход которого соединен непосредственно с входом приемника центрального парциального канала, а остальные N-1 выходов соединены со вторыми входами соответствующих суммирующих устройств, выходы которых через приемники соединены с входами детекторов, отличающееся тем, что в центральный парциальный канал введен делитель напряжения промежуточной частоты, устройство вычисления траекторных параметров реализовано программным способом с помощью введенного вычислительного устройства, и, кроме того, вводится компенсационный канал, содержащий приемник, два балансных детектора и фазовращатель π/2, при этом выход приемника компенсационного канала соединен с первыми входами балансных детекторов, выход приемника центрального парциального канала соединен с входом делителя промежуточной частоты, первый выход которого соединен с входом детектора центрального парциального канала, а второй - со вторыми входами балансных детекторов, с одним напрямую, а с другим - через фазовращатель π/2, выходы всех детекторов через введенные во все парциальные каналы аналого-цифровые преобразователи (АЦП) соединяются с соответствующими входами вычислительного устройства, выход которого является выходом всего устройства.