10. Пространственно-временная обработка

Измерительные радиосистемы получают информацию об удаленных объектах путем анализа волновых полей, создаваемых этими объектами за счет собственного излучения или отражения. Структура и параметры волнового поля зависят от положения и скорости объекта, от характеристик самого объекта (размеров, формы и др.). Для извлечения информации об объекте в радиосистеме используется не все поле, а лишь небольшая часть его, попадающая в апертуру приемной антенны. Воздействуя на элементы антенны, поле образует пространственно-временной сигнал. Задачей пространственно-временной обработки является анализ результирующего поля (полезная информация, шумы, помехи) с целью определения местоположения и характеристик воздушных объектов.

Пространственная обработка включает анализ пространственной структуры поля. Основную роль в этом процессе играет приемная антенна. Временная обработка включает определение временных параметров структуры поля. Основная роль, при этом, принадлежит приемнику. В оптимальных системах эти элементы взаимосвязаны, а приемник и антенна образуют единую систему обработки пространственно-временного сигнала.

До появления фазированных антенных решеток (ФАР) и систем многопозиционного приема пространственная и временная обработки проводились независимо. В антенне осуществлялась пространственная обработка поля, а результат этой обработки – временной сигнал (ток или напряжение) подвергался временной обработке в приемнике. В соответствии с этим синтез и анализ двух основных элементов системы обработки проводились на базе самостоятельных разделов теории: теории антенн и статистической теории оптимального приема. Такой раздельный подход не реализует в полной мере оптимальность синтезируемой системы в целом, особенно в условиях воздействия внешних помех.

С развитием техники ФАР и систем многопозиционного приема появилась возможность объединить антенну и приемник в единую систему пространственно-временной обработки сигналов. При этом могут быть заданы ограничения на область пространства, где производится анализ поля (габаритные размеры антенны), на используемую область частот, на время обработки. Такие ограничения создают два основных аспекта синтеза оптимальных систем: синтез оптимальной процедуры приема пространственно-временных сигналов и оптимизация характеристик этих сигналов.

Пространственно-временная обработка сигналов связана с пространственно-временным сигналом, отраженным или излученным целями. В этом сигнале содержится радиолокационная информация о воздушных объектах в зоне обнаружения РЛС.

Радиолокационная информация (РЛИ) – это совокупность сведений о наличии или отсутствии цели в выделенных участках зоны наблюдения, о классе целей, о координатах и параметрах движения целей. Извлечение РЛИ из пространственно-временного сигнала (ПВС) означает решение следующих задач: обнаружения, распознавания, измерения координат.

Для решения задач радиолокационного наблюдения осуществляется его пространственно-временной обработкой, отражающей две формы существования электромагнитного поля. Векторное электромагнитное поле характеризуется не только пространственно-временной, но и поляризационной структурой, поэтому пространственно-временная обработка включает: временную, пространственную и поляризационную.

Принципы пространственно-временной обработки сигнала сводятся к совокупности трех положений.

1. Пространственно-временная обработка сигнала делится на два этапа: этап подавления помехи и этап выделения сигнала.

2. Подавление помехи реализуется путем пространственно-временного дифференцирования или спектральной режекции по всему пространству наблюдения.

3. Выделение сигнала осуществляется путем когерентного пространственно-временного интегрирования или спектральной фильтрации на определенном интервале пространства наблюдения и последующего некогерентного пространственно-временного интегрирования на оставшемся интервале пространства наблюдения.

Способами пространственно-временной обработки сигналов являются: корреляционный, фильтровой, корреляционно-фильтровой. Корреляционный способ обработки предполагает наличие опорного сигнала, перемножение опорного и принятого сигналов и интегрирование. Фильтровой способ обработки предполагает наличие одного пространственно-временного фильтра, импульсная характеристика которого согласована с пространственно-временной структурой сигнала и который обладает многомерной инвариантностью ко времени запаздыванию, угловому положению и доплеровскому смещению частоты. Оба способа приводят к формированию корреляционного интеграла, модульное значение которого однозначно связано с отношением правдоподобия.

Существует 2 языка описания пространственно-временного сигнала и пространственно-временной обработки – пространственно-временной и спектральный. Пространственно-временной язык связан с пространственно-временными координатами x, y, z, t. Спектральный язык, в основе которого лежит преобразование Фурье, описывает процессы и явления с точки зрения пространственных и временных частот ω_x, ω_y, ω_z, ω. Спектральный язык – это искусственный язык.

Пространственно-временная обработка принятого сигнала является основой решения всех задач радиолокационного наблюдения.

ПВС – пространственно-временной сигнал.

В процессе зондирования, обзора пространства и сопровождения целей имеет место модуляция зондирующих и отраженных сигналов. Наряду с временной модуляцией их амплитуды и фазы возникает пространственно-временная модуляция.

Закон временной модуляции зондирующих сигналов влияет на разрешение по дальности и скорости, на точность их измерения. К числу видов модуляции зондирующих сигналов относятся: а) периодическая или непериодическая амплитудная импульсная модуляция; б) импульсная модуляция с частотной модуляцией в пределах импульсов; в) импульсная модуляция с фазовой манипуляцией в пределах импульсов; г) частотная модуляция или фазовая манипуляция близких к непрерывным сигналов; д) многочастотное излучение импульсных сигналов; е) излучение близких к непрерывным немодулированных сигналов; ж) комбинация перечисленных видов модуляции. Сигналы с модуляцией вида а, е часто называют простыми сигналами, с модуляцией видов б, в, г, д, ж – сложными или широкополосными сигналами.

При амплитудной импульсной модуляции передатчик однопозиционного импульсного радиолокатора излучает короткие импульсы длительностью τ_и без внутриимпульсной модуляции, следующие с периодом Т_и. Радиоимпульсы, отраженные от точечных целей (i = 1, 2, …) запаздывают на время t_зi = 2r_цi/c относительно зондирующих (рис. 10.1).

При периодическом импульсном излучении условие однозначного измерения дальности определяется следующим образом:

, (10.1)

где – максимальная дальность, определяемая энергетикой РЛС.

При несоблюдении указанного требования отраженный сигнал наблюдается на последующем ходе развертки (штриховые линии на рис. 10.1).

В процессе движения цели наряду с их визуальным наблюдением, широко используется автоматическое сопровождение по дальности (по времени запаздывания). Один из вариантов устройства сопровождения изображен на рис. 10.2.

Временное запаздывание поступившего видеоимпульса u(t) сравнивается с ожидаемым во временном дискриминаторе, где производится перемножение входного сигнала с опорным напряжением U_оп(t) – стробом. Строб содержит два полустроба с различными знаками, временное положение которых t₀ устанавливается по прогнозу. Результат перемножения подается на интегрирующий усилитель, изменяя в общем случае выходное напряжение. Оно не изменится, если входной импульс u(t) точно соответствует ожидаемому. В противном случае на выходе усилителя напряжение получит положительное или отрицательное приращение. Напряжение U_ин(t) воздействует на устройство управляемой временной задержки, что приведет к изменению положения опорного напряжения относительно импульса синхронизации. Тем самым изменится временное положение t₀ строба, характеризующее прогнозируемое запаздывание.

В большинстве современных РЛС используют сложные законы модуляции зондирующих сигналов, характеристики которых рассмотрены в отдельной главе.

На характер совокупной пространственно-временной модуляции сигнала наряду с законом его временной модуляции в передатчике существенно влияет закон изменения по времени ориентации и параметров антенны.

Для лучшего наблюдения сигналов, отраженных целями, на фоне шума поочередно концентрируют энергию зондирующих сигналов в различных направлениях, совершая последовательный обзор пространства (например, круговой). Его реализуют (рис. 10.3) вращая остронаправленную по одной координате антенну. Совокупность принимаемых импульсов (рис.10. 3, б) называют пачкой этих импульсов. Круговой обзор используют для наблюдения воздушного пространства, суши и моря, а также поверхности Земли с летательных аппаратов. Обнаруженные цели отображаются на экранах индикаторов кругового обзора (рис. 10.3, в).

Один из возможных видов пространственно-временной модуляции зондирующих сигналов сводится к излучению импульсных сигналов на различных частотах в различных угломестных направлениях (рис.10. 4, а).

Наряду с многоканальным излучением реализуется многоканальный прием (рис.10. 4, б). Он сложнее одноканального, но имеет ряд достоинств. При этом не только сокращается время обзора пространства, но и повышается точность измерения, создаются условия для повышения помехозащищенности.

Трехкоординатные РЛС можно реализовать на основе более простых пространственно-временных сигналов. При этом целесообразно использовать одноканальное излучение (рис.10. 5) и предусмотреть многоканальный прием (рис.10.4, б). Приемные каналы со сдвинутыми по углам места характеристиками направленности называют парциальными приемными каналами.

Пространственно-временная модуляция может быть осуществлена при использовании частотно-зависимых антенн. Так называют антенны, характеристики направленности которых в окрестностях главного лепестка существенно зависят от частоты колебаний f. Коэффициент углочастотной чувствительности k определяет угловое смещение характеристик при изменении частоты на один МГц (рис. 6):

.

Если ΔΘ – ширина характеристики направленности антенны на некотором уровне, то ΔΘ/k соответствует изменению частоты в МГц, смещающему характеристику направленности на эту ширину. Полоса частот П, которую можно излучить в каждом направлении, также равна ΔΘ/k. Изменение частоты в пределах от f₁ до f_μ приводит к одноканальному формированию μ парциальных диаграмм, смещенных на ΔΘ

. (10.2)

Частотная зависимость антенн проявляется не только в режиме зондирования, но и в режиме приема.

Особенно широкие возможности пространственно-временной модуляции открылись при использовании антенных решеток. На рис. 10.7 изображена диаграмма направленности (ДН) решетки, содержащей 8 элементов. Она формируется путем весового суммирования напряжений отдельных элементов решетки на частоте f₀.

Если обеспечить задержку во времени выходных сигналов от отдельных элементов (рис.10.7, б), то главный лепесток ДН повернется на угол , где с – скорость распространения сигналов в среде, d – расстояние между элементами антенной решетки, Δψ – относительный сдвиг фазы между соседними элементами решетки.

Изменяя величины задержки выходных сигналов во времени от отдельных элементов можно обеспечить электрическое управление главным лепестком ДН в заданном угловом секторе.

Отношение сигнал-шум на выходе антенной решетки уменьшается при попадании мешающих сигналов по главному и боковым лепесткам. Отношение сигнал-шум падает также из-за изменения пространственных положений источников помех во времени и из-за движения луча. Сказанное иллюстрируется рис.10.8, а, когда в зоне действия есть помеха. Если мощность помехового сигнала окажется сравнимой или больше мощности полезного сигнала, то возможна потеря работоспособности РЛС с такой антенной системой. При выставлении весовых коэффициентов решетки определенным образом, диаграмма направленности изменит свое положение (рис.10.8, б). Таким образом, направление источника помех совпадет с направлением нулевого приема. Возможно образование зон нулевого приема на несколько источников помех.

Возможно фазовое управление лучом эквидистантной решетки с параллельным питанием (рис.10.9). Устанавливая фазовращатели, обеспечивают фиксированный фазовый сдвиг ψ₀ между соседними элементами решетки. Максимум излучения (приема) соответствует направлению Θ, для которого излученные (принятые) элементами колебания складываются в фазе:

.

Изменяя фазовый сдвиг ψ₀, сканирую лучом ДНА РЛС.

При использовании АР участки пространства могут просматриваться последовательно и параллельно. Обзор осуществляется как по жесткой, так и по гибкой программе. При скачкообразном обзоре пачки радиоимпульсов имеют прямоугольные огибающие. Наряду с приемопередающими могут использоваться отдельные решетки на передачу и прием.

В системах радиолокации с активным ответом в значительной степени начинают проявляться боковые лепестки ДНА , что обусловливает появление ложных запросов. Поэтому предусмотрено исключение ответов на ложные запросы по боковым лепесткам антенны запросчика путем усложнения пространственно-временной модуляции запросного сигнала. Излучение основной части запросного сигнала осуществляется на частоте f₁ через основной канал антенны, на частоте f₂ излучается дополнительный сигнал антенной контрольного канала (рис.10.10).

Характеристика направленности дополнительного канала перекрывает боковые лепестки основного антенного канала, но ниже уровня основного лепестка. Отношение интенсивности принятых ответчиком основного и контрольного сигналов велико при запросе по основному каналу (главному лепестку ДНА) и мало при запросе по боковому.

Излучение сигналов многопозиционной радиолокации проводится в общем случае с одной или нескольких позиций. Характерен случай излучения с одной передающей позиции, отнесенной от приемной. Пространственно-временная модуляция принимаемых сигналов и условия обзора сложнее, чем в однопозиционной радиолокации. Усложнение связано с трудностью обеспечения приема сигналов, отраженных от нескольких целей.

На рис.10.11, а две цели облучаются при каком-то зондировании радиоимпульсами по лучу передающей антенны 1 в режиме обзора с угловой скоростью Ω₁. Требуется обеспечить прием сигналов антенной 2. При одноканальном приеме луч должен быстро переориентироваться с одной цели на другую. Организация «погони» тем сложнее, чем больше взаимное удаление позиций 1 и 2.

«Погоня» упрощается или исключается при многоканальном приеме в пункте 2 (рис.10.11, б). Временное согласование работы позиций 1 и 2 по параметрам обзора и по времени запаздывания можно обеспечить, например, с помощью прецезионных линий связи. Согласование работы позиций возможно также путем выявления сходства (корреляции) колебаний, принятых различными пунктами в отдельные моменты времени.