Увеличение динамического диапазона приемников.

Для увеличения динамического диапазона приёмников РЛС, ослабления или исключения их перегрузки помехами применяют УПЧ с линейно-логарифмической амплитудной характеристикой, а также схемы быстродействующей автоматической регулировки усиления (БАРУ).

Основная особенность УПЧ с линейно-логарифмической амплитудной характеристикой состоит в том, что динамический диапазон выходного сигнала значительно меньше динамического диапазона входных сигналов.

Так как приемники с нелинейной амплитудной характеристикой (рис.10.8) ухудшают отношение сигнал/шум при очень слабых сигналах, то логарифмическая зависимость выходного напряжения от входного, как правило, используется только при превышении входным сигналом некоторого порогового уровня U_вх. Такая зависимость называется линейно-логарифмической.

Структурная схема логарифмического усилителя с последовательным включением каскадов УПЧ показана на рис.10.9. В схему входит n одинаковых усилительных каскадов 1,2,..,n, столько же ограничителей Огр₁, Огр₂,....Огр_n (с одинаковыми уровнями ограничения) и детекторов Д₁, Д₂,...Д_n. Выходы детекторов Д₁..Д_n-1 соединены со схемами временной задержки (СВЗ₁...СВЗ_n-1 соответственно), предназначенными для компенсации временных запаздываний при прохождении импульсов в усилительных каскадах. Каждый усилитель, ограничитель, детектор и схема временной задержки образуют своеобразную ячейку. Выходное напряжение формируется в результате суммирования напряжений, снимаемых с каждой из этих ячеек.

При малой амплитуде входного сигнала все каскады усиления работают в линейном режиме. С увеличением U_ВХ до некоторого значения U_{ВХ О} наступает ограничение в последней ячейке, после чего выходное напряжение остается неизменным. При дальнейшем росте напряжения U_ВХ достигается уровень ограничения в (n-1)-ой ячейке, после чего постоянные напряжения будут сниматься с n-ой и (n-1)-ой ячеек. Затем будет достигнут уровень ограничения в (n-2)-ой ячейке и теперь постоянные (и одинаковые) напряжения будут сниматься с трех ячеек и т.д.

Достоинство логарифмического усилителя, как средства увеличения динамического диапазона, состоит в том, что в процессе работы регулировка усиления не требуется. Наиболее существенным недостатком является то, что при наличии на входе непрерывной или длинной импульсной помехи амплитуда сигнала на выходе уменьшается. Этот недостаток вытекает из самой сущности логарифмической характеристики: уменьшается усиление приращений при возрастании уровня входного сигнала.

Одно из требований, предъявляемых к УПЧ, состоит в том, чтобы уровень выходного сигнала, используемого в оконечных устройствах РЛС, поддерживался в весьма ограниченных пределах вблизи некоторого номинального значения. Для реализации этого требования в УПЧ предусматриваются различные виды автоматических регулировок усиления (АРУ). Автоматическое выполнение этой функции необходимо потому, что даже в беспомеховых условиях изменения уровня входного сигнала могут происходить хаотически и достаточно быстро. Ручная регулировка усиления используется лишь для установки уровня выходного сигнала, который должен поддерживаться схемой АРУ.

Схемы АРУ могут быть прямыми и обратными. Для защиты приемника от перегрузки, вызванной воздействием интенсивных преднамеренных активных помех, используются обратные схемы АРУ (рис.10.10), т.е. схемы с обратной связью: в них точка съема напряжения для формирования регулирующего воздействия расположена дальше от входа УПЧ, чем точка приложения регулирующего воздействия, т.е. это схема с регулировкой "назад". Эти схемы АРУ защищают от перегрузок все каскады УПЧ, расположенные дальше от входа, чем точка приложения регулирующего воздействия.

По степени быстродействия различают инерционные и быстродействующие АРУ (БАРУ). Степень быстродействия определяется относительно скорости изменения интенсивности входного сигнала. Высокое быстродействие не позволяет получить большой глубины регулирования, поэтому для достижения общей большой глубины регулирования приходится применять несколько последовательных петель БАРУ, причем чаще всего одна петля обратной связи охватывает всего один усилительный каскад. Схемы БАРУ радиолокационных приёмников, предназначенные для увеличения их динамического диапазона в условиях воздействиях помех большой интенсивности, называют "АРУ по шумам" или "шумовыми АРУ" (ШАРУ). Эти схемы позволяют сохранить неизменным коэффициент усиления приёмника для кратковременных полезных сигналов и значительно уменьшить усиление помех большой амплитуды и большой длительности.

При воздействии помехи на регулируемый каскад УПЧ подаётся смещение, уменьшающее его усиление. Это смещение создаётся путём детектирования напряжения помехи на выходе каскада УПЧ. Чтобы получить добавочные напряжения смещения, по абсолютной величине равные амплитудному значению помехи, детектор должен иметь коэффициент передачи, равный единице. Так как такое условие в детекторе не может быть выполнено, то в цепь ШАРУ после детектора включается усилитель.

Амплитудная характеристика регулируемого усилителя показана на рис10.11.

При использовании не задержанной схемы ШАРУ (график 2) коэффициент усиления начинает уменьшаться под действием даже небольшого по величине входного сигнала. При использовании задержанной схемы ШАРУ (график 3) коэффициент усиления слабых сигналов U_ВХ , U_ВХ.О не снижается и амплитудные характеристики с ШАРУ и без ШАРУ в этих условиях (U_ВХ , U_ВХ.О) совпадают. Начиная с некоторого значения U_{ВХ.П ШАРУ}, сама схема ШАРУ начинает перегружаться и её стабилизирующее действие ослабляется.

Усилитель с многопетлевой системой ШАРУ можно рассматривать как один из вариантов построения логарифмического усилителя.

Достоинство усилителей с ШАРУ состоит в защите от перегрузки нерегулярными помехами, а также в поддержании амплитуды полезного сигнала на выходе усилителя при воздействии помех более или менее постоянной величины. Вместе с тем, использование ШАРУ делает усилитель инерционным. После воздействия на него сильной помехи чувствительность его восстанавливается не сразу и полезные сигналы, приходящие вслед за помехой, могут быть потеряны. К недостаткам работы ШАРУ следует отнести и то, что она не защищает приёмный тракт от насыщения короткими импульсными помехами и флюктуационными выбросами.

Лучшим методом защиты приёмника от перегрузки является сочетание логарифмического усилителя с ШАРУ. В этом случае приёмное устройство обладает достоинством как логарифмического усилителя, так и ШАРУ и в то же время полностью освобождается от недостатков последнего.

ВТОРОЙ УЧЕБНЫЙ ВОПРОС:Компенсация помех, принятых по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны.

Как следует из (10.9), чем больше уровень боковых лепестков, тем выше эффективность воздействия не совмещенной помехи. Мощные мешающие отражения от берега, поступающие на вход РЛС по боковым и фоновым лепесткам, маскируют полезные отраженные сигналы. Если вблизи РЛС находится цель с большой эффективной отражающей поверхностью, то сигнал от нее будет принят как по основному, так и по боковым и фоновым лепесткам.

Поэтому, наряду с уменьшением ширины основного лепестка ДНА, одной из мер повышения пространственной селективности РЛС в интересах помехоустойчивости является уменьшение уровня боковых лепестков ДНА. В общем случае уменьшение уровня боковых лепестков за счет амплитудного распределения поля, плавно спадающего к краям раскрыва амплитуды антенны, приводит к увеличению ширины основного лепестка ДНА.

В связи с этим одной из основных мер повышения защищённости радиолокационных средств от воздействия не совмещенных помех, принятых по боковым лепесткам ДНА, является их компенсация за счёт использования дополнительного канала приёма помехи.

Различают некогерентный (амплитудный) и когерентный методы компенсации не совмещенных помех.

Сущность амплитудного метода компенсации помех рассмотрим по структурной схеме, представленной на рис.10.12. Сигналы помехи принимаются по основному и компенсационному каналам, содержащим антенны А_О и А_К, смесители СМ_О и СМ_К, усилители промежуточной частоты УПЧ_О и УПЧ_К и амплитудные детекторы Д_О и Д_К. Кроме того, в состав схемы входит местный гетеродин Г и вычитающее устройство D.

Компенсация помех в вычитающем устройстве достигается при условии, что огибающие помеховых сигналов на выходах детекторов Д_О и Д_К совпадают по времени и по амплитуде. Чтобы эти условия выполнить, требуется полная идентичность одноимённых элементов в основном и компенсационном каналах, а антенны А_О и А_К должны иметь диаграммы направленности, показанные на рис.10.13 сплошной (1) и пунктирной (2) линиями соответственно. В этих условиях обеспечивается не только идеальная компенсация помех, действующих по боковым лепесткам ДНА А_О, но и отсутствует ослабление полезного сигнала при совпадении оси ДНА с направлением на объект обнаружения.

В инженерной практике не удаётся реализовать диаграмму направленности компенсационной антенны (2), показанную на рис10.13.

Более простой является ненаправленная компенсационная антенна, диаграмма направленности которой показана штриховой линией 3. Однако в этом случае компенсационный канал вносит ослабление полезного сигнала, когда объект обнаружения располагается в направлении максимума диаграммы направленности основной антенны. Поэтому на практике находят применение диаграммы направленности компенсационной антенны, имеющие "провал" в направлении оси основной антенны. Но даже и в этом случае наличие компенсационного канала приводит к энергетическим потерям полезного сигнала, когда он совпадает по времени с помехой.

Более совершенной является схема когерентной (амплитудно-фазовой) компенсации помех, принятых по боковым лепесткам ДНА (рис.10.14). Использование этой схемы также предполагает наличие основной и компенсационной антенн А_о и А_к.

Когерентная компенсация реализуется на промежуточной частоте с использованием корреляционной обратной связи. В этой схеме остатки вычитания помехи, поступившей по боковым лепесткам диаграммы направленности основной антенны U_О(t) и в компенсационную антенну U_K(T), используются для формирования корреляционной обратной связи. Сущностью корреляционной обратной связи является внесение в сигналы помехи U_K(t) таких изменений амплитуды и фазы, которые уменьшают их отличия относительно сигналов помехи, принятых по боковым лепесткам основной антенны. За счёт этого увеличивается степень коррелированности помехи U_K(t) и U_О(t), а следовательно, уменьшается величина остатка их вычитания.

Комплексная амплитуда остатка вычитания определяется соотношением

где управляющий множитель (сигнал обратной связи);

U_K^* - комплексно сопряжённая функция сигнала помехи, поступившего в компенсационную антенну;

U_å U_K^* - корреляционный момент, характеризующий степень статистической связи между двумя случайными функциями U_O(t) и U_K(t)

Управляющий множитель k подаётся на управляемый элемент (умножитель), который и обеспечивает внесение необходимых фазовых и амплитудных изменений в сигнал U_k(t).При достаточной корреляции напряжений помехи U_k(t) и U_o(t) происходит её полная компенсация, т. е. остаток вычитания U(t) обращается в нуль. Величина остатка характеризует уровень отличий сигналов помехи U_o(t) и U_k(t) и определяет степень вносимых фазовых и амплитудных изменений в сигнал компенсационной антенны. В инженерной практике умножение комплексных амплитуд осуществляется путём преобразования частоты, а усреднение - за счёт интегрирования в узкополосном фильтре

ТРЕТИЙ УЧЕБНЫЙ ВОПРОС:Управление формой ДНА при использовании адаптивных антенных решеток.

Одним из наиболее эффективных и перспективных методов пространственной селекции отражённых от целей полезных сигналов в присутствии преднамеренных активных помех высокой интенсивности является управление формой диаграммы направленности в адаптивных антенных решётках РЛС. Упрощённая структурная схема РЛС с адаптивной антенной решёткой показана на рис.10.15.

Адаптивная антенная решётка (рис.10.16) представляет собой систему, состоящую из антенной решётки и связанного с ней устройства обработки сигналов (процессора), изменяющего свои параметры в соответствии с информацией, заключённой в принимаемых сигналах. Именно процессор определяет основные характеристики системы, а антенная решётка играет в ней хотя и важную, но подчинённую роль многоканального датчика информации. Характеристики N приёмо-излучающих элементов антенной решётки и их расположение в решётке налагают основные ограничения на результирующие свойства системы. Выходные сигналы каждого элемента поступают в диаграммообразующую схему, где они сначала умножаются на комплексные весовые коэффициенты W₁...W_N (c учётом амплитуды и фазы), а затем суммируются и образуют в результате выходной сигнал антенной решётки. Весовые коэффициенты диаграммообразующей схемы также (наряду с характеристиками элементов и их фактическим расположением) влияют на результирующую диаграмму направленности, а это, в свою очередь, определяет и возможность обеспечения системой заданных требований.

Структура адаптивного процессора в очень сильной степени зависит от полноты априорной информации об условиях приёма сигналов. По мере того, как количество априорной информации об условиях приёма сигнала (например, о положении объекта обнаружения, т.е. источника полезного сигнала, об уровнях мощности преднамеренных помех и т. д.) уменьшается, всё большее значение приобретает выбор алгоритма управления. В том случае, когда характер всех принимаемых сигналов точно известен и известны направления прихода этих сигналов, а также характеристики элементов антенной решётки, можно обойтись без адаптивного процессора и на основе простых расчётов определить значения весовых коэффициентов диаграммообразующей схемы, обеспечивающие улучшение приёма полезного сигнала или подавления помехи. Поскольку такая детальная информация в реальных условиях радиолокационного противодействия отсутствует, адаптивный процессор должен обладать способностью автоматической подстройки к любым изменениям целевой и помеховой обстановки, т.е. к любым изменениям условий приёма полезных и помеховых сигналов.

ЧЕТВЁРТЫЙ УЧЕБНЫЙ ВОПРОС:Принцип построения схем защиты от ВЗИП.

Наибольшее мешающее воздействие на работу РЛС оказывают взаимные импульсные помехи (ВЗИП), вызванные работой радиолокационных средств или других радиоустройств с импульсной модуляцией, размещенных на кораблях соединения.

Наибольшее воздействие оказывают однотипные РЛС, обладающие одинаковыми характеристиками излучаемых сигналов и, в частности, работающие на одной и той же несущей частоте. Вместе с тем, при большой импульсной мощности близко расположенных РЛС несовпадение их несущих частот с несущей частотой подавляемой РЛС не исключает возможность воздействия ВЗИП. Причина этого явления состоит в том, что наряду с основным излучением передающих устройств на несущей частоте, имеют место не основные излучения на других частотах, а, наряду с основным каналом в приемных устройствах, имеют место не основные каналы приема сигналов.

Излучения передающего устройства на частотах, лежащих вне полосы частот основного излучения, называются не основными излучениями. Не основные излучения передающего устройства принято делить на побочные и внеполосные.

Побочные излучения создаются вследствие нелинейных эффектов в элементах передающего устройства, не связанных с процессом модуляции. Частоты, на которых возникают побочные излучения, могут существенно отличаться от несущей частоты передатчика (являться, например, гармониками несущей частоты). Поэтому побочные излучения могут создавать помехи РЛС, которые работают на несущих частотах, существенно отличающихся от основной несущей частоты передатчика.

Основными видами побочного излучения являются:

· излучения на гармониках основной (несущей) частоты;

· излучения на субгармониках основной частоты;

· паразитные излучения;

· комбинационные излучения;

· интермодуляционные излучения.

Излучения на гармониках основной частоты осуществляются на частотах, кратных несущей частоте передатчика и характерны для генераторов СВЧ на магнетронах, клистронах и лампах бегущей волны.

Частоты излучений на субгармониках основной частоты в целое число раз меньше несущей частоты передатчика. Излучение на субгармониках основной частоты свойственны, например, передатчикам, в которых для образования высокостабильных по частоте колебаний из более низкочастотных стабилизированных кварцем сигналов используются режимы умножения частоты. Субгармоники частоты излучаемых колебаний являются при этом высшими гармониками частоты кварца.

Паразитные излучения - это побочные излучения передатчика, причина возникновения которых не связана с генерацией колебаний основной частоты. Так, например, в магнетронах паразитные колебания возникают чаще всего из-за того, что вследствие тех или иных причин (например, нестабильность напряжения источников питания) срываются колебания основного типа и возникают колебания других типов, частоты которых существенно отличаются от частоты колебаний основного типа.

Комбинационные излучения возникают при формировании сигнала основной частоты путем преобразования колебаний двух или большего числа вспомогательных генераторов нелинейными устройствами. Схемы подобного рода используются, например, при построении стабилизированных кварцем диапазонных передатчиков.

Интермодуляционные излучения образуются в тех случаях, когда два или большее число передатчиков работают на общую широкополосную антенну или когда антенны РЛС расположены в непосредственной близости друг от друга. Подобные ситуации часто возникают на кораблях, оснащенных большим числом РЛС.

Под внеполосными излучениями понимают излучения в полосах частот, непосредственно примыкающих к полосе частот основного излучения передатчика. Их проявление связано с процессом модуляции излучаемого сигнала. При этом следует учитывать как полезную модуляцию сигнала, так и паразитную модуляцию, возникающую, например, за счет нестабильности питающих напряжений или каких-либо других флюктуационных явлений. Внеполосные излучения способны создавать помехи РЛС, работающим на частотах, близких к частотам мешающего передатчика.

Таким образом, не основные излучения передающих устройств являются причиной взаимных помех радиолокационному средству даже в том случае, когда его несущая частота существенно отличается от несущей частоты мешающего радиолокационного средства. Поэтому уменьшение уровня не основных излучений передающих устройств радиолокационных средств является одной из основных мер борьбы с помехами.

Второй причиной, затрудняющей борьбу с взаимными помехами, является наличие в приёмных устройствах, наряду с основным каналом, не основных (побочных и внеполосных) каналов приёма.

Побочные каналы приема образуются за счет нелинейности смесительных и усилительных каскадов приемника и недостаточно высокой избирательности антенных контуров усилителей высокой частоты.

Внеполосные каналы образуются вследствие превышения ширины полосы приемника ширины полосы излучения зондирующих импульсов.

Таким образом, не основные каналы приема радиолокационного средства являются причиной взаимных помех даже в том случае, когда его несущая частота существенно отличается от несущей частоты мешающего средства. Поэтому подавление не основных каналов приема радиолокационных средств является одной из основных мер борьбы с взаимными помехами.

Различают синхронные и несинхронные ВЗИП.

Появление синхронных помеховых импульсов, имеющих частоту повторения равную или кратную частоте повторения подавляемой РЛС, маловероятно.

Для уменьшения влияния синхронных импульсных помех может быть использовано отличие помеховых и отраженных от целей импульсов по длительности с помощью схем селекции по длительности.

Если длительность помеховых импульсов больше длительности импульсов подавляемой РЛС, то уменьшение влияния помех достигается также при использовании схем БАРУ.

Для защиты от импульсных помех меньшей длительности широко применяется схема ШОУ. Так как после ограничителя устраняются амплитудные различия между сигналами, помехами и шумами, то в узкополосном фильтре для простых сигналов используются лишь различия по длительности. Если этот фильтр согласован с сигналом, то помеха приобретает вид растянутых импульсов меньшей амплитуды.

Несинхронные импульсные помехи имеют частоту повторения, отличающуюся от частоты повторения подавляемой РЛС. При малом (одном - двум) числе мешающих радиолокационных средств создаваемые ими несинхронные импульсные помехи относят к классу регулярных. При большом числе мешающих средств создаваемые ими помехи относят к хаотическим импульсным (ХИП). ХИП представляет собой поток сигналов с некоторой средней частотой повторения F_и и средней длительностью t_и.

Синхронные ВЗИП отображается в виде колец на экране ИКО. В общем случае ВЗИП являются несинхронными. В этом случае ВЗИП отображается в виде некоторого числа однотипных спиралей, форма которых определяется соотношением Т_и2 и T_и1, а положение на экране при высокой стабильности частоты повторения РЛС-1 и РЛС-2 остается неизменным в течение достаточно длительных промежутков времени. При некоторой нестабильности частот повторения станций форма и положение этих спиралей медленно изменяются.

Для защиты от несинхронных импульсных помех применяются устройства межпериодной обработки, обладающие свойством селекции по частоте повторения импульсов и, в частности, программные обнаружители.

Использование программных обнаружителей для подавления ВЗИП в РЛС ОБНО характеризуется следующими особенностями:

1. При близком расстоянии мешающих радиоэлектронных средств амплитуда помеховых импульсов, как правило, значительно превышает амплитуду отражённых от цели сигналов. Поэтому амплитудные методы селекции не могут быть использованы для подавления ВЗИП. В связи с этим частота следования помеховых импульсов, поступающих на вход программного обнаружителя, оказывается настолько высокой, что "короткие" и "мягкие" логические критерии не могут обеспечить достаточно высокую степень подавления ВЗИП.

2. В общем случае число импульсов в пачке отражённых импульсов в РЛС ОБНО существенно больше числа импульсов в пачке РЛС ОВНЦ. Достаточно большое число импульсов в пачке определяет принципиальную возможность использования более "длинных" и "жестких" логических критериев (4/4;5/5...), что обеспечивает более высокую степень подавления ВЗИП. Более того, при работе на малых шкалах, т.е. при увеличении частоты следования импульсов, когда усиливается мешающее воздействие ВЗИП, увеличение числа импульсов в пачке позволяет использовать более "длинные" логические критерии. В связи с этим очевидна целесообразность использования таких схем программных обнаружителей, которые обеспечивают возможность "ужесточения" логического критерия при уменьшении шкалы дальности.

3. При использовании программного обнаружителя для подавления ВЗИП в канале визуальный индикации первые k импульсов пачки используются лишь для проверки выполнения критерия k/k и на экран индикатора не поступают.

Обобщённая структурная схема подавления ВЗИП в канале индикации РЛС ОБНО показана на рис. 10.28. Отраженные от цели сигналы, ВЗИП и огибающая напряжения внутреннего шума приёмника поступают на вход амплитудного квантователя, осуществляющего селекцию и нормирование по амплитуде.

Амплитудный порог U_o, обеспечивающий ограничение входного видео напряжения снизу, решает задачу отсечки шумового напряжения и выбирается исходя из допустимой частоты повторения шумовых выбросов на выходе амплитудного селектора. В соответствии с этим относительный уровень амплитудного ограничения не превышает 2...3 единиц, при этом энергетические потери полезных сигналов, вызванные отсечкой отражённых от цели импульсов малой амплитуды на краях пачки, не превышает 2...3 дБ. Стабилизация установленного относительно уровня отсечки xo обеспечивается схемой автоматического регулирования уровня амплитудного ограничения (АРО).

Нормированные по амплитуде полезные, помеховые и шумовые выбросы поступают на селектор по длительности, в котором производится их временное квантование с тактовой частотой F_ТАКТ и подавление помеховых импульсов, длительность которых t_п отличается от длительности импульсов подавляемой РЛС t_и . Селекцию по длительности можно использовать для подавления ВЗИП малой длительности (t_п < t_сел1), и большой длительности (t_п > t_сел2) где t_сел1, и t_сел2 - пороговые значения, удовлетворяющие соотношению t_сел1 < t_и < t_сел2. В этом случае величина разности t_сел2 - t_сел1 определяется диапазоном возможного (допустимого) отклонения длительности отражённых от цели импульсов от длительности зондирующих импульсов tи. При выборе параметров селектора по длительности учитываются характеристики БАРУ, ШОУ, РОС и других схем помехозащиты приёмного устройства.

Отселектированные по амплитуде и по длительности сигнальные, помеховые и шумовые импульсы поступают на программный обнаружитель, осуществляющий их селекцию по частоте повторения.

Эффективность схем защиты от взаимных помех оценивается степенью уменьшения потока ВЗИП (средней частоты повторения помеховых импульсов) и энергетическими потерями полезных сигналов. Так, например, при использовании критерия 5/5 в схеме защиты РЛС МР-212/201 поток ВЗИП, сформированный однотипными РЛС, уменьшается в 14 раз, а при использовании критерия 10/10 - более чем в 100 раз. Суммарные энергетические потери полезных сигналов, вызванные их амплитудным ограничением (квантованием) и уменьшением числа импульсов в отметке на экране ИУ на К единиц составляет 11 и 15 дБ соответственно, что вызывает уменьшение максимальной дальности обнаружения надводных целей примерно на 27 и 35 % соответственно