Псевдокогерентный детектор

Изобретение относится к радио- и гидролокации. Заявленный псевдокогерентный детектор содержит опорный генератор, два балансных синхронных амплитудных детектора, два фильтра нижних частот, фазовращатель на π/2, сумматор, накопитель, два устройства формирования модулей напряжения (УФМ), соединенные определенным образом между собой. Каждое устройство формирования модулей напряжения содержит два диода, сумматор и инвертор. Инвертор установлен последовательно перед одним из диодов. После выделения квадратурных составляющих принимаемого сигнала их пропускают через УФМ. УФМ выделяют модули квадратурных составляющих. Результирующее напряжение формируют путем сложения модулей напряжений с выходов балансных амплитудных детекторов. Достигаемым техническим результатом является упрощение процедуры формирования видеоимпульсов, исключение глубокой модуляции амплитуды пиковых значений видеоимпульсов. 5 ил.

 

Изобретение относится к радио- и гидролокации, в частности к устройствам детектирования отраженных радиолокационных сигналов, и предназначено для обработки последовательности некогерентных радиоимпульсов псевдокогерентным методом.

Известен традиционный вариант обработки некогерентных импульсов, предлагающий оптимальную фильтрацию каждого радиоимпульса, усреднение фазы сигналов, синхронное интегрирование видеоимпульсов и испытание суммарного сигнала на порог (Теоретические основы радиолокации. Дулевич В.Е. Коростелев А.А. Мельник Ю.А. и др. / Под ред. В.Е.Дулевича. - М.: Сов. радио, 1964, с.242-246).

Однако оптимальное обнаружение последовательности некогерентных импульсов значительно уступает эффективности обнаружения последовательности когерентных импульсов.

Известен способ обработки некогерентного пакета радиоимпульсов, включающий запоминание в цифровом виде начальной фазы просочившегося в тракт промежуточной частоты приемника зондирующего импульса. Для чего этот сигнал подвергают аналого-цифровому преобразованию с последующим выделением квадратурных составляющих и определением начальной фазы ϕ₀. После формирования квадратур сигнала передатчика определяют величины: и и запоминают их в цифровом виде для использования при довороте по фазе комплексных цифровых отсчетов отраженного сигнала (пат. № 2054691, опубл. 20.02.1996).

Недостаток способа заключается в том, что процедура извлечения квадратного корня из суммы квадратов напряжений является нелинейной и ведет к ухудшению соотношения сигнал - шум. Кроме того, разрядность и быстродействие цифровой элементной базы накладывает существенные ограничения на значение промежуточной частоты приемника и его полосу пропускания. Для технической реализации этого способа требуется довольно-таки сложное устройство.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является система оптимальной обработки сигналов с подавлением пассивной помехи (Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. - М.: Сов. радио, 1964, с.242-246). Запоминание фазы каждого излученного импульса производят на промежуточной частоте в аналоговом виде посредством стабильных опорных гармонических колебаний когерентного генератора, причем начальная фаза этим колебаниям навязывается каждый раз импульсом передатчика. В оптимальном приемнике прототипа ортогональные составляющие сигнала опорного генератора определяются следующими выражениями:

s₁(t)=S(t)cosϕ и s₂(t)=S(t)sinϕ,

где S(t) - амплитуда опорного колебания;

ϕ - начальная фаза опорного колебания,

затем, используя полученные значения s₁(t) и s₂(t), вычисляют корреляционные интегралы для ортогональных составляющих, которые с точностью до начальной фазы совпадают с принимаемым сигналом x(t), по формулам:

,

что дает возможность вычислить огибающую корреляционного интеграла .

Система-прототип имеет тот же недостаток, что и описанный выше аналог, а именно: выделение огибающей осуществляют путем геометрического сложения квадратурных составляющих сигнала ().

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в упрощении процедуры формирования видеоимпульсов, а также в исключении глубокой модуляции амплитуды пиковых значений видеоимпульсов (продетектированных отраженных импульсов).

Для достижения указанного технического результата в псевдокогерентном детекторе, содержащем опорный генератор, две параллельные ветви, каждая из которых содержит последовательно соединенные балансный синхронный амплитудный детектор, фильтр нижних частот, каждый балансный амплитудный детектор имеет по два входа, первые входы которых объединены, вторые входы балансных амплитудных детекторов соединены через фазовращатель, опорный генератор своим выходом подключен ко вторым входам балансных амплитудных детекторов, причем к одному из них напрямую, а к другому через фазовращатель, сумматор, имеющий два входа и подключенный своим выходом к входу накопителя, выход которого является выходом детектора, а входом детектора являются первые объединенные входы балансных амплитудных детекторов и вход опорного генератора, дополнительно в каждую параллельную ветвь введено устройство формирования модулей напряжения, каждое устройство формирования модулей напряжения содержит два соединенных параллельно и включенных в одной полярности диода, сумматор, имеющий два входа, к которым порознь подключен своим выходом каждый из диодов, и установленный последовательно перед одним из диодов инвертор, к каждому входу каждого устройства формирования модулей напряжения последовательно подключен своим выходом фильтр нижних частот, а своим выходом каждое устройство формирования модулей напряжения подключено порознь к одному из входов сумматора детектора.

Признаками, отличающими предлагаемый псевдокогерентный детектор от наиболее близкого к нему, являются следующие: дополнительно в каждую параллельную ветвь введено устройство формирования модулей напряжения, каждое устройство формирования модулей напряжения содержит два соединенных параллельно и включенных в одной полярности диода, сумматор, имеющий два входа, к которым порознь подключен своим выходом каждый из диодов, и установленный последовательно перед одним из диодов инвертор, к каждому входу каждого устройства формирования модулей напряжения последовательно подключен своим выходом фильтр нижних частот, а своим выходом каждое устройство формирования модулей напряжения подключено порознь к одному из входов сумматора детектора.

Предлагаемый псевдокогерентный детектор иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-5.

На фиг.1 показан общий вид устройства формирования модуля напряжения, на фиг.2 - функциональная схема псевдокогерентного детектора, на фиг.3 - зависимость напряжения на выходе псевдокогерентного детектора от разности фаз между напряжением опорного генератора и напряжением на входе детектора, на фиг.4 - зависимость напряжения на выходе амплитудного детектора-прототипа от времени, на фиг.5 - зависимость напряжения на выходе псевдокогерентного детектора от времени.

Сущность изобретения заключается в том, что в псевдокогерентном детекторе после выделения квадратурных составляющих принимаемого сигнала их пропускают через устройства формирования модулей напряжения, которые выделяют модули квадратурных составляющих, и затем они суммируются. Предлагаемый детектор отличается от прототипа тем, что результирующее напряжение u_Σ формируется путем сложения модулей напряжений с выходов балансных синхронных амплитудных детекторов и определяется по формуле:

u_Σ=U_m(|cosϕ|+|sinϕ|);

где U_m - амплитуда сигнала на входе детекторов;

ϕ=ω_ct-ω_ОГt+ϕ₀ - разность фаз между напряжением опорного гетеродина и напряжением сигнала на входе детектора;

ω_c - частота доплеровского сдвига принимаемого сигнала;

ω_ОГ - частота собственного рассогласования детектора, возникающая при возвращении частоты опорного генератора на частоту колебаний, определяемую резонансной частотой собственного колебательного контура;

ϕ₀ - начальная фаза колебаний.

Формирование модулей напряжений с выходов балансных синхронных амплитудных детекторов осуществляется с помощью устройства формирования модуля напряжения, функциональная схема которого изображена на фиг.1.

Устройство формирования модуля напряжения содержит два соединенных параллельно и включенных в одной полярности диода VD1 и VD2, которые подключены порознь своими выходами к двум входам сумматора (Σ). Перед одним из диодов, в частности VD2, последовательно установлен инвертор INV (фиг.1). Выход сумматора (Σ) устройства формирования модуля напряжения является его выходом, а входом устройства формирования модуля напряжения являются объединенные вход диода VD1 и вход инвертора INV (фиг.1).

Полная функциональная схема псевдокогерентного детектора изображена на фиг.2.

Псевдокогерентный детектор содержит опорный генератор (ОГ) 4, две параллельные ветви, одна из них содержит последовательное соединение балансного синхронного амплитудного детектора (БСАД) 1, фильтра нижних частот 2, устройства формирования модулей напряжения 3; другая - последовательное соединение балансного синхронного амплитудного детектора (БСАД) 8, фильтра нижних частот 9, устройства формирования модулей напряжения 10; фазовращатель на π/2 - 5, сумматор 6 псевдокогерентного детектора и накопитель 7 (фиг.2). Каждый БСАД 1, 8 имеет по два входа и по одному выходу. Входом псевдокогерентного детектора являются первые объединенные входы обоих БСАД 1, 8 и вход опорного генератора 4. Вторые входы обоих БСАД 1, 8 соединены через фазовращатель 5, и к соединенным вторым входам БСАД 1, 8 подключен опорный генератор 4, причем опорный генератор 4 подключен ко второму входу БСАД 1 напрямую, а ко второму входу БСАД 8 - через фазовращатель 5. Выход БСАД 1 подключен к входу фильтра нижних частот 2, а выход БСАД 8 подключен к входу фильтра нижних частот 9. Выход фильтра нижних частот 2 подключен к входу устройства формирования модулей напряжения 3, а выход фильтра нижних частот 9 подключен к входу устройства формирования модулей напряжения 10. Сумматор 6 псевдокогерентного детектора имеет два входа и один выход (фиг.2). К одному входу сумматора 6 подключено своим выходом устройство формирования модулей напряжения 3, а к другому входу сумматора 6 подключено своим выходом устройство формирования модулей напряжения 10. Выход сумматора 6 подключен к входу накопителя 7, выход накопителя 7 является выходом псевдокогерентного детектора.

Псевдокогерентный детектор работает следующим образом.

Принятые отраженные радиолокационные сигналы вместе с помехами на промежуточной частоте поступают из тракта промежуточной частоты на первые входы обоих БСАД 1 и 8 на вход опорного генератора 4. Напряжение от опорного генератора 4 поступает на вторые входы БСАД 1, 8, причем на второй вход БСАД 1 напряжение от опорного генератора 4 поступает напрямую, а на второй вход БСАД 8 - через фазовращатель 5, т.е. напряжение поступает со сдвигом на π/2, и выделяются квадратурные составляющие отраженных сигналов. Причем начальная фаза ϕ₀ гармоническим колебаниям опорного генератора 4 навязывается каждый раз пролезающим в тракт промежуточной частоты (ПЧ) зондирующим импульсом.

Сигнал, поступающий на вход каждого БСАД 1, 8, описывается выражением:

u_c(t)=U_c(t)cos(ω_ct+ϕ₀),

где U_c(t) - амплитуда полезного сигнала на выходе тракта ПЧ;

ω_c=2πf_ПЧ - промежуточная частота сигнала;

ϕ₀ - фазовый сдвиг сигнала.

Напряжение опорного генератора 4 в допущении, что сигнал излучен в эфир с нулевой начальной фазой ϕ₀=0, составляет:

u_ОГ(t)=U_ОГcosω_ОГt.

Тогда на выходах обоих БСАД 1 и 8 получим напряжения, определяемые соответственно формулами:

и

На фильтрах нижних частот 2 и 9 выделяются низкочастотные квадратурные составляющие принятого сигнала, описываемого выражениями соответственно для фильтра нижних частот 2:

u_C1=U_mcosϕ

и фильтра нижних частот 9 -

u_C2=U_msinϕ,

где

- амплитуда напряжения сигнала на выходе фильтров нижних частот 2, 9;

ϕ=ω_ct-ω_ОГ+ϕ₀ - разность фаз между напряжением опорного гетеродина и напряжением сигнала на входе детектора.

Устройства формирования модуля (УФМ) напряжения 3 и 10 пропускают на сумматор 6 модули квадратурных составляющих. На сумматоре 6 суммируются модули квадратур напряжений с устройства формирования модуля напряжений 3 и устройства формирования модуля напряжений 10. Из фиг.1 следует, что отрицательный импульс не пройдет через диод VD1, но, изменив знак на инверторе INV, пройдет через диод VD2. И, наоборот, положительный импульс пройдет через диод VD1 и не пройдет через диод VD2, изменив знак на инверторе INV. В итоге на выходе сумматора 6 псевдокогерентного детектора получим величину результирующего напряжения, определяемую по формуле:

От импульса к импульсу величина u_Σ будет меняться, как показано на графике, приведенном на фиг.3. Накопитель 7 осуществляет накопление результирующих импульсов в течение времени облучения цели. Причем в роли накопителя 7 может выступать электронно-лучевая трубка радиолокационного приемника.

Как видно из графика (фиг.3), по сравнению с прототипом амплитуда результирующего напряжения находится в пределах в U_m...1.,41U_m, т.е. предлагаемый в качестве изобретения псевдокогерентный детектор имеет преимущества при выделении амплитуды огибающей видеоимпульсов в 1,41 раза.

Эмпирически зависимость напряжения на выходе псевдокогерентного детектора u_Σ от разности фаз ϕ между напряжением опорного генератора и напряжением на входе псевдокогерентного детектора можно выразить следующим образом:

u_Σ≈U_m(1+0,41·|sin2ϕ|).

Рабочий режим диодов VD1 и VD2 (амплитуда >1В) обеспечивается усилением в тракте ПЧ, схемотехнически устройство формирования модуля напряжений можно выполнить на диодах и инверторах с максимальным напряжением 10 В и временем переключения 0.001 мкс, что вполне реализуемо при нынешнем уровне технологий обработки сигналов.

На фиг.4 и 5 приведены графики, изображающие зависимость напряжения на выходе соответственно детектора-прототипа и заявляемого в качестве изобретения псевдокогерентного детектора от времени. Графики получены методом имитационного моделирования в среде MatLab ver. 7.0.1.24704 (R14) SP1. Причем на графиках показаны зондирующие импульсы 1, пролезающие в тракт ПЧ, и принятые отраженные от целей импульсы 2. Эксперимент проводился при одинаковых условиях для обоих детекторов при соотношении сигнал/шум на входе, равном 0,7. Из графика (фиг.4) следует, что соотношение сигнал/шум для детектора-прототипа ниже, чем для заявляемого псевдокогерентного детектора (фиг.5). Это свидетельствует о преимуществе заявляемого детектора в обработке радиолокационных импульсов.

Предлагаемый детектор имеет следующие преимущества:

1. Значительно упрощена процедура формирования видеоимпульсов: нет необходимости в выполнении громоздких математических действий возведения в квадрат и извлечения корня из суммы квадратов при выполнении операции суммирования квадратурных составляющих.

2. Как и в прототипе, и аналоге, в предлагаемом детекторе присутствует захват колебания опорного генератора пролезающим в тракт промежуточной частоты приемника зондирующим импульсом. При этом также начальная фаза захватывается с некоторой погрешностью, а частота генератора стремится к собственной частоте колебаний, что в результате приводит к модуляции амплитуд видеоимпульсов с «квазидоплеровской» частотой. Однако предлагаемое устройство в отличие от аналогов и прототипа исключает глубокую модуляцию амплитуды пиковых значений видеоимпульсов (продетектированных отраженных импульсов).

3. Процедура сложения модулей квадратурных составляющих продетектированных видеоимпульсов может привести в целом к пульсации результирующей огибающей импульсов, описываемой коэффициентом пульсации, изменяющимся в пределах от 1 до 1,41, что дает некоторое преимущество по сравнению с прототипом при наполнении пачки импульсов за время облучения цели. При этом пиковое значение результирующего напряжения никогда не будет меньше напряжения на входе детектора, что подтверждает, что коэффициент передачи псевдокогерентного детектора не меньше единицы.

Псевдокогерентный детектор, содержащий опорный генератор, сумматор, подключенный своим выходом к входу накопителя, выход которого является выходом псевдокогерентного детектора, две параллельные ветви, каждая из которых содержит последовательно соединенные балансный синхронный амплитудный детектор и фильтр нижних частот, при этом первые входы балансных синхронных амплитудных детекторов и вход опорного генератора объединены, выход опорного генератора подключен к вторым входам балансных синхронных амплитудных детекторов, причем к одному из них напрямую, а к другому через фазовращатель, отличающийся тем, что дополнительно в каждую ветвь введено устройство формирования модулей напряжения, к входу каждого устройства формирования модулей напряжения последовательно подключен своим выходом фильтр нижних частот, своим выходом каждое устройство формирования модулей напряжения подключено к соответствующему входу сумматора псевдокогерентного детектора, кроме того, каждое устройство формирования модулей напряжения содержит два соединенных параллельно и включенных в одной полярности диода VD1 и VD2, сумматор, имеющий два входа, к которым соответственно подключены выходы диодов VD1 и VD2, и установленный последовательно перед одним из диодов инвертор, при этом в случае отрицательного импульса на выходе фильтров нижних частот этот импульс не пройдет через диод VD1, но изменив знак на инверторе пройдет через диод VD2, а в случае положительного импульса на выходе фильтров нижних частот этот импульс пройдет через диод VD1 и не пройдет через диод VD2, изменив знак на инверторе, в итоге на выходе сумматора псевдокогерентного детектора получают величину результирующего напряжения.