Бинарное квантование видеонапряжения на выходе амплитудного детектора.

Многоразрядное квантование видеонапряжения для цифровой когерентной и некогерентной межпериодной обработки импульсов пачки при высокой частоте временной дискретизации само по себе представляет достаточно сложную техническую задачу. Кроме того, увеличение частоты дискретизации и разрядности квантования приводит к существенному усложнению аппаратуры цифровой обработки сигналов. Поэтому в радиолокационных средствах наряду с многоразрядными находят применение простейшие (двоичные, бинарные) квантизаторы радиолокационных сигналов и способы межпериодной обработки двоично-квантованных сигналов в интересах обнаружения пачки импульсов.

Для формирования двоично-квантованных импульсов видеонапряжение полезных сигналов, шумов и помех с выхода амплитудного детектора приёмного устройства поступает на вход амплитудного квантователя (рис.8.17), решающего задачи амплитудного ограничения и нормирования. Амплитудный ограничитель (схема амплитудной отсечки снизу) осуществляет селекцию (выделение) выбросов видеонапряжения «сигнал+шум» и подавление шумового видеонапряжения.

Как следует из теории радиотехнических систем, амплитуда шумового напряжения на выходе детектора является случайной величиной, подчинённной закону Релея , а амплитуда видеонапряжения «сигнал + шум» - случайной величиной, подчинённой обобщённому закону (закону Райса)

где - отношение амплитуды полезного сигнала U_с к эффективному напряжению шума s_ш (отношение сигнал / шум по напряжению).

Как видно из рис.8.18, величина «а» является параметром закона Райса и чем она больше, тем больше амплитудные отличия полезных сигналов от шумового напряжения.

Относительный уровень амплитудного ограничения X_o=u_огр/s_ш устанавливается таким образом, чтобы вероятность превышения амплитудного порога шумовым напряжением

не превышала некоторого допустимого значения.

В этом случае вероятность превышения порога сигнальным выбросом будет равна

Поскольку в процессе работы РЛС величина эффективного напряжения шума s_ш может изменяться в значительных пределах, то для поддержания неизменным оптимального уровня отсечки X_o предусматривают специальные схемы автоматического регулирования уровня амплитудного ограничения (АРО). Необходимость изменения уровня ограничения u_огр определяется схемой АРО на

основе сравнения средней частоты формирования шумовых выбросов F_шв с некоторой опорной (установленной) величиной F_опт.

Сигнальные и шумовые выбросы огибающей, превысившие порог u_o (эпюра 1, рис.8.19) поступают на амплитудный нормирователь, который формирует прямоугольные импульсы стандартной амплитуды длительность которых соответствует времени пребывания огибающей над амплитудным порогом (эпюра 2). Эти импульсы подвергаются временному квантованию с тактовой частотой F_такт (эпюра 3), обеспечивающему дискретную оценку их длительности в интересах селекции по этому параметру. Как видно из временной диаграммы, длительность первых трёх выбросов огибающей видеонапряжения представляется на выходе временного дискретизатора (эпюра 4) в виде двух, одной и четырёх временных дискрет t_д. Здесь же показан случай потери разрешающей способности по дальности, вызванный слиянием дискретных сигналов, соответствующим четвёртому и пятому выбросам.

Двоичная последовательность с выхода временного дискретизатора поступает на селектор по длительности, представляющий собой пороговое устройство. Величина порога по длительности обычно принимается равной (2...3) t_и, где t_и - длительность зондирующего импульса при использовании простых сигналов или (2...3) t_сж при использовании сигналов сложной формы. В соответствии с этим на выходе селектора по длительности формируются и направляются для межпериодной обработки стандартные импульсы (эпюра 5) лишь в том случае, если длительность выброса над уровнем отсечки не превышает установленного порогового значения.

ВТОРОЙ УЧЕБНЫЙ ВОПРОС: Принцип межпериодной обработки двоично-квантованных импульсов пачки.

В результате двоичного квантования пачка отраженных импульсов представляет собой совокупность некоторого числа логических единиц, характеризующихся одним и тем же временем запаздывания, т.е. появляющихсяся в одном и том же « кольце » дальности в N смежных периодах повторения. В этом случае наиболее полное использование энергии отраженных сигналов обеспечивается при весовом накоплении этих единиц и сравнении суммы «взвешенных » единиц с некоторым порогом K_о в соответствии со следующим выражением:

где x _i = [1 или 0 ]

g _i - весовые коэффициенты, соответствующие ДНА по мощности при малом числе импульсов в пачке или квадрату ДНА при большом числе импульсов.

Решение об обнаружении пачки принимается при выполнении этого неравенства, т.е. когда сумма « взвешенных » единиц превышает некоторую установленную величину.

Дальнейшим упрощением процедуры обнаружения является использование равновесного двоичного накопления, при котором алгоритм (8.40) принимает вид:

При выборе величины порога K _о приходится учитывать использование при этом способе межпериодной обработки импульсов пачки амплитудного порога u _о. Следовательно, качество обнаружителя (Р_обн, Р_ло) пачки является функцией вероятностей превышения сигнальным (р_с) и шумовым (р_ш) выбросами уровня амплитудной отсечки.

По теореме Бернулли совместная вероятность превышения порога к импульсами и не превышение остальными N-K импульсами пачки равна

где C_N ^K- число сочетаний из N по K.

Так как обнаружение имеет место при любой величине K ³ K _о, то вероятности правильного и ложного обнаружения равны

Для каждого числа импульсов в пачке N существует оптимальное пороговое значение K_{о опт}, при котором достигается минимально необходимые отношение сигнал / шум на входе накопителя, т. е. минимальный коэффициент различимости m _p.Действительно, из (12.43, 12.44) следует, что при неизменных значениях р_ш и р_с с ростом K_о уменьшается как Р_{л о}, так и Р_обн. Чтобы сохранить величину Р_обн неизменной, надо увеличивать величину р_с путём увеличения коэффициента различимости m _р. Для сохранения же прежнего значения Р_{л о} надо поднять значение р_ш понижением порога U_о, а чтобы это не увеличивало р_с, а следовательно, и Р_обн надо уменьшать коэффициент различимости. Сначала с ростом порога K_о требуемая величина m_р стремится к снижению, а затем она возрастает, что указывает на существование некоторого оптимального значения K_{о опт,} соответствующего минимуму порогового отношения сигнал / шум.

При быстрых флюктуациях импульсов пачки K_{о опт} » 1,5ÖN, при медленных флюктуациях К_{о опт} » N/2. При определении величины N исходят из того, что в общем случае реальное число импульсов в пачке N отличается от величины N_и, определяемой известными соотношениями

Это отличие зависит от мощности отражённых импульсов, которая в свою очередь определяется величиной ЭПР цели и её удалением. В качестве примера на рис. 8.20 показана такая зависимость для двух условий наблюдения:

- одна цель с величиной ЭПР s_ц находится на различном удалении от РЛС (случай а соответствует максимальному удалению цели);

- три цели с различными ЭПР находятся на одном удалении от РЛС (случай а соответствует наблюдению цели с минимальной ЭПР).

На этом рисунке по оси ординат откладывается мощность отражённых импульсов и отмечен порог обнаружения, соответствующий реальной чувствительности приёмника, т.е. минимальной мощности сигнала, обеспечивающий заданное качество обнаружения (Р_обн, Р_ло). В связи с этим при выборе величины К_о и N учитываются условия наблюдения, в которых должна решаться задача автоматического обнаружения пачки.

ТРЕТИЙ УЧЕБНЫЙ ВОПРОС: Структурная схема межпериодной обработки двоично-квантованных импульсов пачки.

Любой способ межпериодной обработки импульсов пачки в интересах её обнаружения предполагает необходимость хранения информации, соответствующей каждому из дискретов дальности в пределах зоны автоматического обнаружения, в течение N смежных периодов следования зондирующих импульсов. По мере вращения ДНА в горизонтальной плоскости хранимая информация должна обновляться, т. е. обеспечиваеться запись в запоминающее устройство информации текущего (последнего) периода следования и стирание информации первого из анализируемых периода следования. На рис. 8.21 показана структурная схема межпериодной обработки двоично-квантованных импульсов пачки, где в качестве запоминающего устройства используется N-1 сдвиговых регистра

где Dt_з - интервал времени запаздывания отражённых сигналов, соответствующий величине установленной зоны автоматического обнаружения DД_аз

t_д- интервал дискретизации, определяющий величину элемента разрешения (дискрета) по дальности.

Если в первую ячейку верхнего сдвигового регистра записывается единица, то она под действием тактовых импульсов передаётся по этому регистру и через период повторения Т_и попадает на вход второго регистра, а через интервал 2Т_и -на вход третьего регистра и т. д. В результате в ячейке одного и того же порядкового номера всех сдвиговых регистров оказывается записанной информация (1 или 0), соответствующая одному и тому же дискрету дальности. Содержание всех этих ячеек одного и того же порядкового номера с тактовой частотой F_т = 1 / t_д одновременно перемещается по сдвиговым регистрам таким образом, что последние ячейки всех регистров образуют «движущееся окно», содержащее информацию одного «кольца» дальности в N-1 смежных периода повторения. Дополненная 1 или 0 с этого же дискрета дальности текущего периода повторения, поступающих непрерывно с временного дискретизатора, эта двоичная последовательность одновременно поступает на сумматор S, вычисляющий число единиц к в этой последовательности из N элементов. По мере записи в регистр 1 текущей информации стирается информация, содержащаяся N-1 регистре, т. е. по мере вращения ДНА в горизонтальной плоскости непрерывно обновляется содержимое запоминающего устройства. В пороговом устройстве в каждом интервале дискретизации происходит сравнение накопленной суммы единиц к с порогом K_о. При K ³ K_о пороговое устройство формирует сигнал автоматического обнаружения пачки, который используется для автоматического съёма координат со счётчиков для дальнейшего использования в ЭВМ вторичной обработки.

Подобные схемы межпериодной обработки двоично-квантованных импульсов пачки часто называют цифровыми накопителями. В качестве примера на рис.8.22 показан принцип перемещения «движущегося окна» в пределах одного «кольца» дальности. Здесь чёрные кружки соответствуют единицам в этих интервалах дискретизации (дискретах дальности), а светлые - нулям. «Длина» движущегося окна N = 10, порог K_о принят равным 5. Изменение состояния последних ячеек регистров сдвига показано в таблице. Период повторения в направлении b_н является начальным, т. к. в этом периоде впервые в пределах «окна» оказалось пять единиц. Период повторения в направлении b_к является конечным, т.к. в нём впервые в «окне» оказалось меньше 5 единиц. Если сигналом обнаружения снять показание счётчика пеленга в направлении b_н и b_к, то можно автоматически измерить пеленг цели: