Обнаружение радиолокационных сигналов 8 страница

Примером устройства распознавания по интенсивности отраженных сиг­налов на двух частотах может быть следующее (рис. 2.85). Такое устройство позволяет определить поперечные размеры объектов.

2.4.4. Распознавание по узкополосным сигналам

Статистические характеристики отраженных сигналов на входе приемно­го устройства определяются физическими, геометрическими и конструктивными особенностями воздушных объектов. Реализация методов распознавания определяется видом зондирующих сигналов и способами их обработки. При использовании узкополосных сигналов информативными признаками для рас­познавания являются:

■ эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) воздушных объектов;

■ ширина спектра амплитудных флюктуации (ΔF);

■ частота Доплера отраженных сигналов (FД);

■ корреляционная зависимость сигналов (r) (межканальная или межпери-
одная);

■ поляризационные характеристики отраженных сигналов.

При оценке ЭПР необходимо исключить в приемном тракте ограничение сигналов для сохранения их амплитудных различий. При расчете ЭПР наи­большую сложность будет представлять учет формы диаграммы направленно­сти антенны, которая может сильно искажаться в результате влияния рельефа позиции и аномальных атмосферных явлений. Кроме того, на точность оценки ЭПР влияет состояние и режимы работы тракта обработки сигналов.

Величина ЭПР определяется рядом факторов, к которым можно отнести: линейные размеры объекта, геометрическую форму, угловое положение объек­та относительно РЛС, параметры зондирующих сигналов. Для большинства воздушных объектов поле вторичного излучения носит интерференционный характер и проявляется он тем сильнее, чем больше отношение линейных раз­меров объекта к длине волны.

Для определения ЭПР воздушных объектов наиболее целесообразен ме­тод, основанный на непосредственных измерениях энергии принятого сигнала с последующим пересчетом ее значения с учетом пространственных координат воздушных объектов, формы и размеров диаграммы направленности антенны. Возможны два подхода к решению задачи оценки ЭПР (σ).

1. Диаграмма направленности антенны имеет достаточно большое число парциальных лучей в угломестной плоскости. Оценка σобеспечивается непо­средственным измерением энергии принятых сигналов.

2. В системах с однолепестковой диаграммой направленности все слож­нее. Угломестная диаграмма направленности антенны может значительно отли­чаться от диаграммы в свободном пространстве. Отличия обусловлены интер­ференционными явлениями, воздействием внешних источников помех.

Сложность формы диаграммы обратного вторичного излучения приводит к флуктуациям амплитуды отраженных сигналов. Распределение амплитудных флуктуации описывается в общем случае т распределением Накагами и в ак­тивной радиолокации связаны с распределением ЭПР, которое соответствует гамма-распределению

где Km - нормирующий коэффициент;

т - номер распределения Накагами;

σ - оценка ЭПР воздушного объекта.

При двухальтернативном распознавании оптимальный алгоритм распо­знавания предполагает вычисление отношения правдоподобия l (или его лога­рифма) и сравнения его с порогом.

Устройство распознавания по величине ЭПР с учетом распределения ам­плитудных флуктуации может быть выполнено по схеме, изображенной на рис.2.86.

Обозначенные на рисунке параметры а1 и а2 определяются следующим образом:

где σ₁, а_г - ЭПР распознаваемых объектов;

т1 -распределение Накагами первого объекта; m2 - распределение Накагами второго объекта.

Проведенные расчеты показывают, что за время одного-двух обзоров распознать объекты по величине ЭПР с вероятностью правильного распознава­ния D≥0,9 возможно только в случае, если объекты имеют относительные раз­личия ЭПР более 12 дБ. Учет модели флюктуации ЭПР предполагает усложне­ние структуры устройства, однако обеспечивает выигрыш в числе обзоров для распознавания в 2-3 раза в зависимости от ситуаций.

Важным этапом оценки ЭПР является принятие решения о типе объектов на основании проведенных измерений. Известны ряд методов: безэталонный метод, метод сравнения с косвенным эталоном, метод сравнения с реальным эталоном.

Безэталонный метод является наиболее простым и наименее точным и основан на непосредственном определении энергии отраженного сигнала и пе­ресчета ее в значения ЭПР.

Методы сравнения с косвенным или реальным эталонами основаны на сопоставлении энергии отраженного сигнала от воздушного объекта с энергией сигнала опорного генератора при методе сравнения с косвенным эталоном или с энергией сигнала, отраженного от реального эталонного отражателя при ме­тоде сравнения с реальным эталоном.

Однако и эти методы не обеспечивают высокой достоверности оценки ЭПР в следствии того, что не учитывается такой фактор, как форма

диаграммы направленности антенны. Только метод сравнения с реальным эталоном позволяет учесть характеристики приемного тракта и режимы егоработы.

Наиболее достоверная информация о величине ЭПР может быть получена при использовании карты отраженных сигналов. Суть такого метода заключа­ется в имитации наличия в зоне обнаружения РЛС плотной совокупности отра­жающих объектов с заданными характеристиками. Амплитуда имитационных сигналов изменяется с учетом влияния среды и рельефа местности. Эти колиб-рованные имитационные сигналы используются в качестве эталонных. Уровни эталонных сигналов для различных точек зоны обнаружения хранятся в виде «энергетического рельефа».

Распознавание может быть реализовано путем оценки спектра амплитуд­ных флюктуации импульсов пачки отраженного сигнала. Характер модуляции амплитудных флюктуации зависит от спектра зондирующего сигнала, физиче­ских и геометрических свойств объектов. Диапазон спектральных составляю­щих огибающей отраженного сигнала можно разбить на ряд областей.

1. Область спектральных составляющих, обусловленных перемещением
объекта по траектории. Диапазон частот составляет единицы-сотни герц.
Величины частотных составляющих спектра мало зависят от размеров объек-­
та.

2.Область спектральных составляющих, обусловленных колебаниями и
вибрацией элементов конструкции, рысканиями по курсу, тангажу и крену.
Диапазон частот - единицы-сотни герц.

3. Область спектральных составляющих, обусловленных вращением вин­
тов самолета (область частот 50-1400 Гц) и «турбинная» модуляция (единицы-
десятки кГц).

На рис. 2.87 изображен, для примера, спектр амплитудных флуктуации отраженного от воздушного объекта сигнала.

Для оценки ширины спектра амплитудных флюктуации наиболее про­стыми и достаточно эффективными являются схемы череспериодного вычита­ния (ЧПВ), которые компенсируют сигналы нефлуктуирующие и выделяют разность амплитуд соседних импульсов. По величине остатков можно судить о характере объекта. Для реализации такого метода может служить устройство, структурная схема которого изображена на рис. 2.88.

Алгоритм работы предполагает сравнение двух сигналов: накопленного сигнала, прошедшего схему однократного ЧПВ, и накопленного входного сиг­нала. При нефлуктуирующей пачке отношение сигналов мало. С ростом ам­плитудных флюктуации отношение увеличивается. Пороговая обработка по­зволяет разделить сигналы с различной шириной спектра амплитудных флук­туации.

Еще одним признаком для распознавания является частота Доплера от­раженных сигналов. На рис. 2.89 изображен спектр доплеровских частот сигна­лов, отраженных от воздушного объекта.

Спектр доплеровских частот зависит от ряда факторов. Максимальную мощность имеет спектральная составляющая, обусловленная отражением сиг­налов от корпуса самолета. При изменении скорости движения воздушного объекта, курса, при виражах происходит сдвиг спектральных составляющих на оси частот, их расширение или сужение. Из-за движения объекта и его состав­ных частей, а также вследствие рысканий по курсу, тангажу и крену относи­тельно РЛС отраженный сигнал оказывается флюктуирующим.

Периодическая посылка зондирующих импульсов и неизменность их формы приводит к периодической структуре тела неопределенности по оси частот и не позволяет в некоторых случаях однозначно разрешать объекты по частоте Доплера (в случае, когда │F_Д│>F_n/2). Для однозначного определения

частоты Доплера необходимо нарушить периодическую структуру тела неопре­деленности, что может быть достигнуто двумя путями:

а) нарушением периодичности посылок импульсов запуска (вобуляцией пе­риода повторения);

6) изменением формы излучаемых импульсов.

При вобуляции периода повторения импульсов запуска, разность фаз со­седних радиоимпульсов в общем случае равна

где - разность периодов повторения при вобуляции

на два периода

Величина фазовой модуляции радиоимпульсов может быть использова-

на в качестве признака распознавания по величине частоты Доплера.

Многопиковую структуру тела неопределенности можно разрушить при использовании двухчастотного зондирующего сигнала. Частоты зондирующих сигналов/1 и/2 необходимо выбирать таким образом, чтобы фазовый сдвиг на разностной частоте за период повторения Т составил

где Vr - радиальная составляющая скорости движения.

Для целей, движущихся с максимальной скоростью, фазовый сдвиг (рТ не дол­жен превышать 2л.

Вобуляция периода повторения или использование двухчастотных зонди­рующих сигналов обеспечивают однозначное измерение частоты Доплера во всем диапазоне скоростей воздушных объектов.

В качестве примера схемной реализации устройства распознавания по частоте Доплера может быть следующее (рис. 2.90)

В процессе работы отклики фильтров запоминаются на время анализа (это время соответствует длительности вобулированной последовательности импульсов запуска n·N·T), суммируются и сравниваются с порогом. Для сигна­лов с малой Fд при всех частотах повторения максимальный выходной отклик будет иметь место в одном фильтре. Суммирование реализуется таким образом, что суммарный результат возрастает только в том случае, если суммируются отклики различных фильтров. Если выходной сигнал только в одном фильтре (Fд мала) суммарный результат равен величине этого отклика. При увеличении Fд максимальные отклики будут появляться на выходах различных фильтров. Пороговая обработка позволяет разделить объекты с различными значениями доплеровской частоты.

Корреляционный признак распознавания может быть использован при анализе коэффициента межканальной (межпериодной) корреляции отраженных сигналов. Схемные решения могут быть разноплановыми. Для двухканальных по частоте систем распознавания требуется два канала обработки. Оптимальной при этом является раздельная обработка по каналам, и затем когерентное объе­динение информации каналов.

Коэффициент корреляции r отраженных сигналов в различных частотных каналах с длинами волн при радиальном размере объекта l>>λ₁,λ₂ за­

висит от соотношения что может быть использовано для распозна-

вания воздушных объектов. В качестве устройства оценки коэффициента кор­реляции может быть применен корреляционный автокомпенсатор.

Управляющее напряжение, действующее в цепи обратной связи корреля­ционного автокомпенсатора, включает в себя комплексный коэффициент пере­дачи который определяется следующим образом:

где - коэффициент корреляции комплексных амплитуд сигналов двух час­тотных каналов;

- дисперсии напряжений частотных каналов.

Анализ напряжения, действующего в цепи обратной связи одноканально-го корреляционного автокомпенсатора, позволяет установить степень корреля­ции сигналов в различных частотных каналах и реализовать распознавание воз­душных объектов по корреляционному признаку.

Устройство распознавания может быть выполнено в соответствии со схе­мой, изображенной на рис. 2.91.

Рис. 2.91. Устройство распознавания по корреляционному признаку

Если воздушный объект простой (один отражающий элемент), междука­нальный коэффициент корреляции r стремится к единице. Сложный воздушный объект с большим числом «блестящих» точек создает отраженный сигнал с ма­лым коэффициентом r (r→0).

Незначительное изменение схемы позволяет проводить оценку межпериодного коэффициента корреляции и на ее основе реализовать распознавание воздушных объектов.

Поляризационные характеристики отраженных сигналов являются еще одним признаком распознавания. При облучении воздушных объектов имеет место явление деполяризации, степень которой определяется электрическими свойствами и формой объектов, длиной волны и условиями распространения.

Электрическое поле, создаваемое отраженными от воздушного объекта сигналами, можно записать в следующем виде:

- поляризационная матрица рассеяния

(Г— горизонтальная поляризация, В - вертикальная).

Элементы поляризационной матрицы рассеяния содержат амплитудные и фазовые составляющие. Например:

где - амплитудные элементы;

- фазовые элементы. Для изотропных пространства и цели справедлива теория взаимности, в силу которой

Начальная фаза, например не может являться характеристикой воздушного объекта. В этом случае поляризационная матрица рассеяния описывается тремя независимыми амплитудными и двумя независимыми фазовыми элементами. Для полного определения элементов матрицы необходимо как минимум два раза облучить объект волнами различной поляризации. Для случая, когда па­дающая волна линейно поляризована, измерение элементов поляризационной

матрицы рассеяния сводится к измерению двух амплитудных и

одного фазового элементов (предполагается, что падающая волна

имеет горизонтальную поляризацию).

При одновременной оценке амплитудных и фазовых элементов может быть применено устройство распознавания по корреляционному признаку

(рис.2.91). В этом случае U_l и U₂ являются сигналами с выходов приемников различных поляризационных каналов (с горизонтальной и вертикальной поля­ризациями).

При оценке только амплитудных элементов поляризационной матрицы рассеяния, устройство распознавания может быть выполнено по следующей схеме (рис. 2.92)

Рис. 2.92. Устройство распознавания по амплитудным элементам поляризационной матрицы рассеяния

Алгоритм работы устройства базируется на утверждении, что для про­стых воздушных объектов отношение амплитуд сигналов с коллинеарной и пе­рекрестной поляризациями является практически постоянной величиной. Для объектов сложной формы это отношение меняется, причем тем больше, чем сложнее объект. Схема череспериодного вычитания (ЧПВ) выявляет степень изменения отношения амплитуд сигналов различных поляризационных кана­лов. Результат некогерентно накапливается в некогерентном накопителе (НН) и обрабатывается в пороговом устройстве (ПУ). Решение будет зависеть от слож­ности воздушного объекта.

В заключении следует отметить следующее. Развитие методов и техники радиолокационного распознавания идет в настоящее время по трем основным направлениям: распознавание по узкополосным сигналам, с помощью много­частотных сигналов и по широкополосному сигналу. Для каждого из трех на­правлений характерно максимальное использование в устройствах распознава­ния практически всех доступных признаков: амплитудных, частотных, фазо­вых, поляризационных и временных.

Современный уровень развития теории и техники радиолокации, обра­ботки сигналов и их распознавания обеспечивает в большинстве случаев распо­знавание воздушных объектов только по классам. В перспективе становится ак­туальной задача индивидуального распознавания типов объектов даже внутри одного класса, а также расширение классов распознаваемых объектов.