Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности и проблемы радиолокации со сложными сигналами 24
1.1. Основные достоинства сложных радиолокационных сигналов 24
1.2. Современное состояние методов и технических средств радиолокации со сложными квазинепрерывными сигналами 31
1.3. Проблема маскирования слабых сигналов от дальних целей боковыми лепестками мощных сигналов от ближних к РЛС объектов 33
1.4. Пути уменьшения влияния боковых лепестков функций неопределенности сигналов на снижение помехоустойчивости РЛС 35
1.5. Области целесообразного применения сложных радиолокационных сигналов малой скважности , 37
Глава 2. Синтез огибающей зондирующего сигнала и алгоритма обработки при приеме для обеспечения компенсации зависимости ослабления прини маемых сигналов от дальности цели 41
2.1. Основные характеристики и особенности квазинепрерывного режима работы приемопередатчика РЛС при использовании сигналов с большой базой и малой скважностью 41
2.2. Оценка динамического диапазона энергий принимаемых сигналов для прямоугольных зондирующих импульсов 44
2.3. Определение требований к уровню боковых лепестков функций неопределенности сигналов 48
2.4. Оценка потерь при режекции мощных сигналов ближней зоны 49
2.5. Обоснование и описание предлагаемого метода снижения влияния боковых лепестков функций неопределенности сложных сигналов на помехоустойчивость РЛС 53
2.6. Синтез огибающей зондирующего импульса для компенсации зависимости ослабления принимаемой энергии от дальности 56
2.7. Весовое перераспределение энергий принимаемых сигналов по шкале дальностей 63
2.8. Адаптация огибающей зондирующего импульса при компенсации неизвестной функции ослабления сигналов от дальности цели 64
2.9. Оценка динамического диапазона энергий принимаемых сигналов для различных огибающих зондирующего импульса 66
2.10. Оценка динамического диапазона мощностей принимаемых сигналов 68
2.11. Синтез закона временной автоматической регулировки усиления приемника для компенсация зависимости ослабления энергии сигналов от дальности при зондировании прямоугольными импульсами 74
2.12. Выводы, замечания и рекомендации 81
Глава 3. Использование широтно-импульсной и частотно-импульсной моду ляций как технически предпочтительных представлений синтезированной амплитудной модуляции зондирующего сигнала 84
3.1. Общие характеристики алгоритма отображения амплитудной модуляции посредством широтно-импульсной и частотно-импульсной модуляций 84
3.2. Сигналы с широтно-импульсной модуляцией 85
3.3. Сигналы с частотно-импульсной модуляцией 87
3.4. Ограничения вследствие использования широтно-импульсной и частотно-импульсной модуляций вместо амплитудной модуляции огибающей зондирующего импульса 89
3.5. Методика формирования амплитудной структуры пачки при использовании широтно-импульсной модуляции 90
3.6. Методика формирования амплитудной структуры пачки при использовании частотно-импульсной модуляции 92
3.7. Сравнительные характеристики РЛС при использовании сигналов с широтно-импульсной и частотно-импульсной модуляциями 93
3.8. Особенности формируемых сигналов при временной дискретизации... 96
3.9. Выводы, замечания и рекомендации 98
Глава 4. Анализ помехоустойчивости РЛС при использовании последова тельностей амплитудно-модулированных импульсов с внутриимпульснои фазовой модуляцией 99
4.1. Определение связи формы импульсов с параметрами функции неопределенности сигнала 99
4.2. Оценка повышения помехоустойчивости при использовании сигналов, обеспечивающих компенсацию зависимости принимаемой энергии от дальности цели, при наличии точечных источников помех 112
4.3. Оценка повышения помехоустойчивости при использовании предлагаемых сигналов при наличии поверхностно распределенных помех .. 115
4.4. Оценка повышения помехоустойчивости от использования предлагаемых сигналов при наличии объемных помех 121
4.5. Выводы по результатам сравнения помехоустойчивости РЛС при использовании предлагаемых и известных сигналов 125
Глава 5. Экспериментальная апробация повышения помехоустойчивости РЛС при компенсации зависимости ослабления принимаемых сигналов от дальности цели 128
5.1 Описание экспериментальных сигналов 128
5.2 Условия испытаний макета корабельной РЛС обнаружения надводных целей 130
5.3 Методика проведения экспериментов и результаты измерения характеристик обнаружения морских целей 131
5.4 Выводы замечания и рекомендации 145
Заключение 147
Библиографический список использованной литературы
- Современное состояние методов и технических средств радиолокации со сложными квазинепрерывными сигналами
- Определение требований к уровню боковых лепестков функций неопределенности сигналов
- Сигналы с широтно-импульсной модуляцией
- Оценка повышения помехоустойчивости при использовании предлагаемых сигналов при наличии поверхностно распределенных помех
Введение к работе
Актуальность. Основными достоинствами PJIC с квазинепрерывными сложными сигналами с большой базой и малой скважностью являются высокие энергопотенциал и разрешение по дальности при низкой, относительно импульсных PJIC, пиковой мощности излучения. Главным негативным фактором, присущим использованию сложных сигналов, являются боковые лепестки (БЛ) функции неопределенности (ФН). Реализация указанных достоинств сопровождается проблемой возникновения дополнительных помех, вызванных влиянием БЛФН. Снижение помехоустойчивости по указанной причине может проявиться при наличии отражений от объектов, находящихся вне зондируемого элемента, если уровень EJI превышает допустимое значение. Обзор литературы и анализ характеристик существующих и разрабатываемых PJIC со сложными сигналами показывают, что известные подходы к выбору или синтезу структуры сложных сигналов и алгоритмов их приема, направленные на снижения влияния БЛФН на помехоустойчивость РЛС, не обеспечивают удовлетворительного общего решения, пригодного для широкого практического применения. Актуальность работы обоснована, во-первых, практической необходимостью обеспечения помехоустойчивости РЛС, использующих квазинепрерывные сложные сигналы малой скважности, в условиях мощных помех в ближней к РЛС зоне, во-вторых, незавершенностью существующих теоретических исследований, касающихся определения наилучшей амплитудной структуры сигналов и закона коммутации приемопередатчика, обеспечивающего квазинепрерывный режим работы РЛС на одну антенну.
Цель работы: Разработка амплитудной структуры квазинепрерывных сложных сигналов и алгоритма их обработки при приеме, обеспечивающих повышение помехоустойчивости при наличии мощных источников мешающих отражений в ближней к РЛС зоне. Для достижения цели решаются следующие задачи:
Выбор и обоснование метода снижения влияния БЛФН на помехоустойчивость путем сжатия динамического диапазона энергий (ДЦЭ) принимаемых сигналов за счет компенсации зависимости ослабления от дальности - основного фактора, ответственного за величину ДЦЭ принимаемых сигналов.
Разработка алгоритма синтеза амплитудной структуры зондирующего сложного сигнала, обеспечивающей указанное сжатие ДЦЭ посредством относительного ослабления сигналов от ближних целей.
Разработка методики оценки влияния амплитудной структуры (при произвольной угловой модуляции) на усредненную по доплеровской частоте зависимость уровня БЛФН от задержки принимаемых сигналов.
Анализ помехоустойчивости, реализуемой при использовании сложных сигналов с предлагаемой амплитудной структурой, и сравнение с помехоустойчивостью, получаемой при использовании шииь шып иш^иш^^
'^БИБЛИОТЕКА J
smiisi
Разработка представления синтезированной огибающей, реализуемой амплитудной модуляцией, средствами технически предпочтительной частотно-импульсной (ЧИМ) или широтно-импульсной (ШИМ) модуляции. Оценка ограничений по сжатию ДЦЭ и протяженности «мертвой» зоны (МЗ) РЛС при ЧИМ и ШИМ.
Разработка закона временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ), обеспечивающего компенсацию зависимости ослабления от дальности принимаемых сигналов для прямоугольных зондирующих импульсов. Оценка потерь от ВАРУ.
Экспериментальная проверка повышения помехоустойчивости PJIC с квазинепрерывными сложными сигналами, обеспечивающими компенсацию зависимости ослабления от дальности. Сравнение с известными сигналами малой скважности.
Объект исследований: PJIC со сложными сигналами и обстоятельства снижения помехоустойчивости, вызванного влиянием БЛФН квазинепрерывных сложных сигналов. Определяется совокупность внешних (параметры целей и помех) и внутренних (параметры PJIC) условий, обеспечивающих помехоустойчивость.
Предмет исследований: Метод снижения помех, обусловленных влиянием БЛФН квазинепрерывных сложных сигналов. Повышение помехоустойчивости РЛС базируется на оптимизации огибающей зондирующего сигнала (или закона ВАРУ приемника), обеспечивающей компенсацию монотонной части зависимости ослабления принимаемых сигналов от дальности за счет относительного подавления мощных помех от ближних объектов. Слабые сигналы от дальних целей принимаются без потерь энергии.
Методы исследований. Используется теоретический анализ помехоустойчивости РЛС и математический синтез амплитудной структуры сложных сигналов. Для теоретических задач применяется аппарат статистической радиотехники. Анализ базируется на методах высшей математики, синтез - на теории интегральных уравнений. Базовые теоретические результаты проверяются натурными и лабораторными экспериментами, моделированием на ЭВМ. Эксперименты проводятся на испытательном полигоне с использованием макета РЛС.
Обоснованность и достоверность научных положений и практических результатов, выводов и рекомендаций, подтверждены теоретическими доказательствами с привлечением альтернативных решений и согласием теории с результатами моделирования на ЭВМ и экспериментальных исследований. Эксперименты показали повышение помехоустойчивости РЛС относительно известных решений при работе в условиях помех различных типов. По теме диссертации получены два авторских свидетельства на изобретения. Достоверность исследований подтверждена также результатами внедрения в опытные и серийные промышленные изделия, представленными лкі'4ми.
Новые и^учрьіе де'зулцгатьі, выносимые на защиту:
^азра6эча»»зксперим6нтально апробирован метод формирования ам- **» * (I' J
плитудной структуры и обработки при приеме зондирующих сложных сигналов с малой скважностью, обеспечивающий снижение влияния БЛФН на помехоустойчивость PJIC в заданном диапазоне дальностей за счет сжатия ДДЭ при приеме до величины, не превышающей различия ЭПР целей. Получена математическая модель, однозначно определяющая алгоритм синтеза оптимальной амплитудной структуры зондирующего сигнала через функцию ослабления энергии при распространении. Оптимальная амплитудная структура сложных сигналов позволяет (при квазинепрерывной работе приемопередатчика PJIC на одну антенну) компенсировать любую монотонную неубывающую зависимость ослабления. Метод пригоден для периодических и непериодических импульсных последовательностей (РИП и НИП) с межимпульсными интервалами не меньшими максимальной задержки сигналов. Выведены формулы в общем виде и конкретизированы для степенных функций ослабления.
Разработаны модификации алгоритма синтеза: а) для перераспределения энергий принимаемых сигналов по шкале дальности в соответствии с заданной весовой функцией; б) для компенсации не полностью известной функции ослабления с использованием тестового зондирующего сигнала и последующей адаптацией его амплитудной структуры.
Разработан метод перехода от оптимальной непрерывной AM зондирующего сигнала к технически предпочтительной ЧИМ и ШИМ. Выведены формулы для расчета амплитудной структуры и анализа характеристик сигналов с ЧИМ и ШИМ в общем виде и для степенных функций ослабления. Определены ограничения, связанные с применением ЧИМ и ШИМ.
Разработана методика оценки и сравнения помехоустойчивости при использовании предлагаемых и известных квазинепрерывных сигналов. Выведены формулы расчета отношения сигнал/помеха в общем виде и для конкретных условий работы PJIC при наличии точечных и распределенных (поверхностных и объемных) источников помех.
Определена связь между среднеквадратичным уровнем БЛФН сигнала и корреляционной функцией его огибающей. Выведены формулы оценки среднеквадратичного уровня БЛФН сложных сигналов с псевдослучайной ФМ при произвольной амплитудной структуре.
Теоретическая значимость результатов исследований:
Обоснована необходимость компенсации зависимости ослабления от дальности как главного фактора, определяющего величину ДДЭ принимаемых сигналов и, как следствие, снижение помехоустойчивости РЛС со сложными сигналами.
Определена связь между зависимостью ослабления принимаемых сигналов от дальности и оптимальной огибающей квазинепрерывного сложного сигнала, обеспечивающей компенсацию этой зависимости. Определена оптимальная ВАРУ, обеспечивающая указанную компенсацию для прямоугольных зондирующих импульсов.
Определена зависимость среднеквадратичного уровня БЛФН от корреляционной функции огибающей принимаемого сигнала.
Разработана методика оценки помехоустойчивости для точечных целей на фоне помех от точечных и распределенных (поверхностных и объемных) объектов.
Практическая ценность результатов исследований:
Построена амплитудная структура зондирующих сложных сигналов с малой скважностью для компенсации степенных функций ослабления. Разработан макет PJIC, реализующий снижение влияния БЛФН на помехоустойчивость.
Выведены формулы и разработаны методики перехода от оптимальной амплитудной модуляции зондирующего сигнала к практически целесообразной ЧИМ и ШИМ. Приведены примеры. Разработаны методики анализа эксплуатационно-технических характеристик PJIC. Определены ограничения, связанные с переходом к ШИМ или ЧИМ.
Выведены формулы и разработаны методики оценки помехоустойчивости PJTC при использовании предлагаемых и известных сигналов на основе расчета отношения сигнал-помеха. Рассмотрены примеры для конкретных условий: при наличии точечных, поверхностных и объемных источников помех.
Выведены формулы и разработаны методики для оценки зависимости среднеквадратичного уровня БЛФН сигнала от корреляционной функции огибающей импульса. Разработаны методики оценки среднеквадратичного уровня БЛФН сложных сигналов с псевдослучайной ФМ. Приведены примеры и графики для огибающей импульса вида степенной функции.
Экспериментально подтверждена (в натурных условиях) возможность повышения помехоустойчивости при использовании предлагаемых сигналов и алгоритмов обработки в наземных и морских РЛС обнаружения малоразмерных целей.
Определены области применения и рекомендации по использованию предлагаемых сигналов для конкретных радиолокационных задач.
Результаты диссертации использованы при разработке РЛС различного назначения в ФГУП «Равенство», НИПКТИ «Радар» и ОАО «Радар ММС».
Реализация результатов: Научные и практические результаты получены и использованы соискателем при участии в выполнении более 30 НИР и OKP по данной тематике на кафедре «Радиооборудование кораб- лей»/«Морские информационные системы». В настоящее время результаты исследований используются в учебном процессе и при проведении текущих работ по заказу как отечественных, так и зарубежных производителей и потребителей радиолокационных средств и методов. В том числе, в НИР, осуществляемых в рамках Межвузовских научно-технических программ «Конверсия и высокие технологии», «Радиоэлектронные системы и приборы прогнозирования и контроля чрезвычайных ситуаций», «Мониторинг Северо-Западного региона РФ», Секции прикладных проблем при РАН, института GKSS (Германия). Результаты диссертационной работы использованы при разработке судовых PJIC автономной навигации, автомобильных радаров для предотвращения столкновений, военных радиолокаторов различного назначения. Соискатель участвует в разработках новых PJlC на ФГУП «Равенство», ЗАО «Морские комплексы и системы». Внедрения в ФГУП «Равенство», НИПКТИ «Радар» и ОАО «Радар ММС» подтверждены прилагаемыми к диссертации документами.
Развитие исследований и дальнейшее использование результатов диссертации целесообразно проводить в направлениях разработки методов обеспечения сжатия динамического диапазона энергий принимаемых сигналов при сохранении высокого энергопотенциала для ближних объектов, совершенствования адаптивных методов формирования сигналов и методов расширения диапазона доплеровских частот принимаемых сигналов. Научные теоретические и практические результаты диссертации предназначаются для использования при построении радиолокаторов различного назначения, в частности, судовых навигационных PJIC, РЛС экологического мониторинга и РЛС специального назначения на предприятиях ФГУП «Равенство», ФГУП «ЦНИИ «Гранит», ЗАО «Морские комплексы и системы», ОАО «Радар ММС» и др.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на следующих конференциях:
Ежегодные научно-технические конференции профессорско- преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина). - С.Петербург, 1977-1999;
Всесоюзная научно-техническая конференция «Электромагнитная совместимость судовых технических средств». - Ленинград, 1990.;
Международный симпозиум по электромагнитной совместимости «ЭМС-93». С.-Петербургский государственный электротехнический ун-т «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина). - С.-Петербург, 21-26 июня 1993;
Всероссийская научно-практическая конференция «Высшая школа и конверсия». - Москва, 22-26 ноября 1993;
Научно-практическая конференция в/ч 48254 и РАН: «Проблемы огневого поражения войсковых объектов и группировок противника и оценка эффективности». - С.-Петербург, 14-15 мая 1997;
Научно-техническая конференция «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций». Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ». - С.-Петербург, 25-26 ноября 1998;
Всероссийская научная конференция «Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон», Российский государственный гидрометеорологический университет (РГТМУ). - С.Петербург, 16-18 ноября 1999;
Научно-техническая конференция «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций», Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ». - С.-Петербург, 24-25 ноября 1999.
Итоговая сессия Ученого совета Российского государственного гидрометеорологического университета. — С.-Петербург, 25-26 января 2000;
Sixth International Conference «Remote Sensing for Marine and Costal Environments», Charleston, 1 - 3 May 2000. (Шестая международная конфер. по дистанционному мониторингу моря и прибрежных зон. - Чарльстон, 1-3 мая 2000).
Итоговая сессия Ученого совета Российского государственного гидрометеорологического университета. - С.-Петербург, 23-24 января 2001;
Третья Международная научно-практическая конференция «Экономика, экология и общество России в 21-м столетии», С.-Петербургский Государственный технический университет. - С.-Петербург, 23-25 мая 2001.
Публикации - 26 научных работ, по теме диссертации - 16, из них - 7 статей, 2 авторских свидетельства на изобретения и тезисы к 7 докладам на международных и всероссийских научно-технических конференциях. 2 статьи находятся в печати.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 99 наименований. Основная часть изложена на 149 страницах машинописного текста и содержит 56 рисунков и 1 таблицу.
Автор благодарен с. н. е., к. т. н. Попову Л.Г. за ценные методические советы и организационную помощь при подготовке к защите.
Современное состояние методов и технических средств радиолокации со сложными квазинепрерывными сигналами
Существующие отечественные радиолокаторы со сложными сигналами относятся в основном к областям военного применения. Многие разработки не перешли этапа опытного конструирования. Несколько РЛС сантиметрового диапазона волн с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) сигналов, разрабо танных отечественными НИИ, установлены на российских атомных подвод ных лодках. Серийные радиолокаторы с амплитудно фазоманипулированными сигналами (АФМ), выпущенные нашими заводами эксплуатируются на кораблях и береговых постах военно-морского флота. Один образец РЛС с АФМ сигналами установлен на украинском крейсере. ОКР по разработке активно-пассивного радиолокационного комплекса для подводных лодок доведена до стадии государственных испытаний. На этапе заводских испытаний находится еще один опытный образец РЛС. В 2000 году начата модификация РЛС с АФМ в интересах Департамента морской охраны Федеральной пограничной службы. Начинается разработка новых для оснащения кораблей ВМФ. Продолжаются работы по созданию береговой РЛС, имеющей канал со сложным АФМ сигналом и предназначенной для контроля надводной и воздушной обстановки. Завешаются работы над созданием РЛС самонаведения ракеты для обнаружения надводных целей, в которой также используются АФМ сигналы малой скважности. В интересах ПВО страны разработана РЛС со сложным АФМ сигналом. Проведен этап макетирования в рамках инициативной разработки РЛС головки самонаведения ракеты. Выпущена серия РЛС дециметрового диапазона, использующая сжатие ЛЧМ импульсов. Успешно завершены испытания новой РЛС декаметрового диапазона со сложным АФМ сигналом. Разработка предназначена для обнаружения сверхдальних и загоризонтных целей. Здесь же проводилась разработка аналогичной РЛС для относительно меньших дальностей.
Известны отечественные опытные разработки: малый судовой навигационный радиолокатор со сжатием ФМ импульсов «Невка» и «НМ-90», изготовленный ЦНИИ «Гранит». Производственным объединением «Октябрь» (г. Каменск-Уральский) проведен этап эскизно-технического проектирования в рамках НИР и ОКР по модернизации, судовой навигационной РЛС "Лоция" для перехода на сложные АФМ сигналы малой скважности.
Из зарубежных разработок известны: противоракетная система «Patriot» (США), использующая РЛС со сжатием импульсов для обнаружения, целеуказания и наведения; многофункциональная РЛС AN/FPS-85 [22], использующая РИП с внутриимпульсной ЛЧМ; РЛС слежения за баллистическими ракетами AN/FPS-92, в которой использован метод сжатия импульсов; РЛС слежения за БР «TRADEX» с длинными ЧМ импульсами и «RAMPORT» с аппаратурой сжатия импульсов; декаметровый радар сверхдальнего обнаружения «WARP»; многофункциональный радар НАТО «Pilot» с ЛЧМ сигналом.
Существуют автомобильные радары, использующие ЧМ, ЛЧМ и АФМ сигналы и продолжаются работы по их совершенствованию [23, 24, 25, 26, 27].
Проблема маскирования слабых сигналов от дальних целей боковыми лепестками мощных сигналов от ближних к РЛС объектов
Известные преимущества, получаемые от использования сложных сигналов с малой скважностью, реализуются при наличии главной негативной особенности - боковых лепестков по оси временных задержек ФН, отсутствующих в импульсных РЛС. Задачей разработчика является принятие мер и опре-деление условий, обеспечивающих минимизацию влияния боковых лепестков сигналов на рабочие характеристики РЛС. Задача решается путем синтеза и подбора соответствующих структур зондирующих сигналов и алгоритмов обработки принимаемых сигналов. Отрицательное влияние БЛ проявляется в возникновении дополнительных помех, вызванных отражениями от объектов, находящихся вне данного разрешаемого элемента. Дополнительные помехи, или так называемые некоррелированные отклики приемника, являются реакцией данного дальностно-скоростного приемного канала на сигналы, отраженные от объектов, относящихся к другим каналам. Каналом приемника на-зываем здесь коррелятор с фиксированными задержкой и доплеровской частотой опорного сигнала. Мощность некоррелированных помех и их распределение по дальностно-скоростным каналам приемника определяются уровнем БЛ, формой тела неопределенности, распределением мешающих отражателей по дальности и скорости и их ЭПР.
Определение требований к уровню боковых лепестков функций неопределенности сигналов
Оценка потерь прирежекции мощных сигналов ближней зоны Реализовать сигнал с относительным уровнем Б Л ФН меньшим -50 дБ практически весьма трудно. Поэтому задача обнаружения слабых сигналов от дальних целей решается режекцией (либо ограничением, что проще, но менее эффективно) помехи на интервале наложения. Режекция приводит к энергетическим потерям сигналов.
При данном реализованном уровне БЛ ФН величина динамического диапазона энергий после режекции не должна превышать допустимого значения D Dr=(g0\4}) \ (2.11) определяемого относительной протяженностью зоны режекции (тр/ги): Например, при реализованном уровне БЛ ФН сигнала \{Х(-){ 10 4 (40 дБ), пороговом отношении сигнал/помеха qo — 10, одинаковых ЭПР цели и помехи зона режекции составляет не менее 32% от длительности импульса.
Энергетические потери, обусловленные режекцией принимаемых сигналов, определяем как отношение энергии сигнала в отсутствие режекции к энергии сигнала при использовании режекции. Для сигналов типа последовательностей прямоугольных импульсов энергетические потери при Ти + Тр Тс ти определяются относительной протяженностью зоны режекции: 1р=ги{хс-тРГ\ (2.13) Для рассматриваемого выше примера получаем: LP =1.5 (1.7 дБ). С увеличением дальности цели энергетические потери (13) уменьшаются. При обнаружении целей на малых дальностях (при тс Ти) имеют место потери из-за КНРР приемопередатчика (LKHpp), когда часть сигнала, приходящаяся на время излучения, не принимается: L = -. (2.14) КНРН т 1с Например, при TQ — 10 Ти получаем LKHPP = 20 дБ. При этом потери от режекции Lp = Г" . (2.15) ти тр Общие потери при Тс Ти Г - ІЯ. T (2.16)
Зависимость потерь сигнала от разности относительных задержек сигнала и зоны режекции представлена на рис. 2.5. Здесь использованы обозначения: хс - Тс/ти; хР = Тр/ти.
Для каждого канала дальности целесообразно вводить собственную зону режекции в зависимости от конкретного расположения источников помех. Это приводит к существенному усложнению приемника. Практически используется разбиение шкалы дальностей на несколько диапазонов, в каждом из которых используется своя зона режекции, одинаковая для всех каналов данного диапазона.
Подчеркнем, что для прямоугольных импульсов увеличение потерь (Lo) принимаемого сигнала с приближении точечной цели к РЛС при Тс ти не ухудшает энергетических характеристик приема, так как потери с избытком компенсируются уменьшением ослабления мощности принимаемого сигнала пропорциональным четвертой степени дальности. Для НИП со средним межимпульсным интервалом много меньшим максимальной задержки потери от режекции вычисляем по формуле: г НИП гизл эф эфп ґ і у(я+1) 1- — Q) (2.17а) изл »-i где т"ф - эффективная длительность излучаемого сигнала: т"ф =TCQ ТЭФП эффективная длительность принимаемого сигнала при режекции на интервале в п элементов НИП: T n=TcQ l(\-Q iY"+l). График функции (17а) представлен на рис. 2.6а. TTLD дБ 0 2 4 6 8 Потери от режекции с учетом снижения энергии излучения при увеличении скважности оцениваем отношением энергии непрерывного сигнала (эффективная длительность равна 7с) к энергии квазинепрерывного прини маемого сигнала с эффективной длительностью
График функции (176) представлен на рис. 2.66. Для заданной протяженности зоны режекции существует оптимальное значение скважности, соответствующее минимуму энергетических потерь: Qonr —п + 2. Например, при необходимости режектировать п = 3 элемента следует использовать сигнал со скважностью Q = 5. При этом потери относительно энергии излучения не превосходят 4 дБ. Потери относительно непрерывного сигнала составляют 11 дБ.
Зависимость энергии принимаемых сигналов от дальности, определяющая величину ДДЭ, не считается информативной. Энергетические расчеты при проектировании РЛС проводятся для максимально удаленных целей с минимальной ЭПР. Поэтому возникает не используемый энергетический резерв, возрастающий с приближением зондируемого объекта к РЛС. Данная глава посвящена синтезу амплитудной структуры сложных зондирующих сигналов с малым пик-фактором. Синтезируемая структура обеспечивает
Сигналы с широтно-импульсной модуляцией
Сравнение потерь показывает, что предпочтительнее использовать ЧИМ, так как в этом случае точнее аппроксимируется функция A(t), особенно в конце интервала излучения. Усложнение структуры пачки, связанное с увеличением числа интервалов дискретизации М, не является существенным препятствием при использовании цифровых устройств формирования сигналов. Проведенный анализ показывает, что количество интервалов дискретизации определяет протяженность «мертвой» зоны РЛС и практически (при Р 10) не влияет на величину энергетических потерь.
Особенности формируемых сигналов при временной дискретизации Формируются сигналы, как правило, цифровыми устройствами. Поэтому все временные параметры кратны периоду тактовых импульсов (Г,). Для минимизации погрешностей отображения исходной функции A(t) при дискретизации целесообразно связать отношениями кратности эти параметры с тактовым пе 97 риодом. Для ШИМ при g = 2 достаточно использовать тактовый сигнал с периодом равным минимальной длительности формируемых импульсов, то есть: Tt=rdp. (3.48)
Это следует из кратности интервала дискретизации Ad (31) и дискрета изменения длительности Аха (33) минимальной длительности импульса г # . Для ЧИМ не найдено структурного элемента, которому кратны все параметры формируемой последовательности. Тем не менее, условие, аналогичное (48) не приводит к существенным погрешностям. Например, максимальный проигрыш 1р увеличивается не более, чем на 0.4 дБ для М= 400 при T, = rf. (3.49) Увеличение проигрыша рассчитывается по формуле &h=f- (3-50) где //,; - проигрыш при дискретизированных в соответствии с (49) положениях импульсов пачки. Для степенной функции ослабления При g = 2 и М= 400 получаем //,/ = 4.4 (6.4 дБ). Ранее показано (46), что дляg 1 иМ 10 проигрыш Ifj 4 (6 дБ). То есть приращение проигрыша при цифровом формировании невелико (0.4 дБ).
Выводы, замечания и рекомендации Практические преимущества, основанные на упрощении передатчика при использовании прямоугольных зондирующих импульсов, обусловливают необходимость отображения синтезированного закона изменения огибающей (2.26, 2.29) одного длинного импульса изменением плотности расстановки коротких парциальных импульсов на исходном временном интервале. Представление амплитудно-модулированного импульса пачкой импульсов производится с использованием ЧИМ и ШИМ. Применяемое правило отображения основано на равенстве энергий сигналов на соответствующих временных интервалах. Точность представления плавного изменения огибающей посредством изменения частоты следования одинаковых парциальных импульсов (ЧИМ) или изменения длительности импульсов, находящихся на одинаковых интервалах (ШИМ), определяется количеством импульсов. Исходный сигнал является периодической последовательностью AM импульсов одинаковой формы. Представления сигналов с использованием ШИМ и ЧИМ являются периодическими последовательностями одинаковых пачек импульсов. Принципиальным отличием сигналов с ЧИМ и ШИМ от сигналов с исходной AM является наличие «мертвой» зоны в начале шкалы дальностей РЛС. Указанное ограничение обусловлено конечностью реализуемого коэффициента сжатия ДДЭ при приеме, определяемого отношением эффективной длительности пачки к длительности последнего импульса. Однако практически это ограничение не проявляется при достаточном числе импульсов в пачке. Тем не менее, при повышенных требованиях к протяженности «мертвой» зоны РЛС целесообразно использовать плавную AM огибающей импульса. Различия между сигналами с ЧИМ и ШИМ определяются в основном энергетическими потерями в зоне малых дальностей. Проведенный анализ показал несущественность этих различий, теряющихся с увеличением числа импульсов в пачке. Предложенные методики формирования структуры пачек с ЧИМ и ШИМ и рассмотренные примеры иллюстрируют простоту расчета предлагаемых сигналов. Исследование особенностей, связанных с дискретностью положения импульсов при цифровом формировании структуры сигналов, показало пренебрежимо малое влияние временной дискретизации при периоде тактового сигнала меньшем половины длительности последнего импульса пачки.
Задачей раздела является приближенная оценка зависимости уровня и распределения БЛ по оси задержек ФН от формы огибающей импульса сложномо-дулированного сигнала малой скважности. Оценка необходима для анализа влияния БЛ ФН на помехоустойчивость РЛС. Точная оценка с использованием анализа «тонкой» структуры ФН связана с громоздкими вычислениями. Оценка л по среднему уровню БЛ, обратно пропорциональному корню квадратному от базы сигнала, не учитывает в нужном виде амплитудную структуру. Для рассматриваемых сигналов форма импульсов выбирается с целью обеспечить помехоустойчивость посредством снижения БЛ ФН при увеличении разностной задержки. Решение поставленной задачи позволит упростить анализ помехоустой чивости РЛС при использовании последовательностей импульсов рассматриваемого типа в случае групповых и пространственно распределенных источников помех. В качестве искомой приближенной оценки используем усредненный по доплеровской частоте квадрат модуля БЛ ФН.
Оценка повышения помехоустойчивости при использовании предлагаемых сигналов при наличии поверхностно распределенных помех
Описание экспериментальных сигналов Для экспериментального подтверждения повышения помехоустойчивости РЛС в отношении пассивных помех при использовании зондирующих сигналов, обеспечивающих сжатие динамического диапазона принимаемой энергии, проведены натурные испытания. Предлагаемые сигналы апробированы в макете корабельной РЛС и в опытной наземной РЛС обнаружения маловысотных высокоскоростных целей. Исследовалось влияние БЛ ФН на количественные показатели помехоустойчивости - характеристики обнаружения РЛС. При испытаниях использованы две разновидности предлагаемой модуляции огибающей импульсов - ЧИМ и ШИМ. Базой сравнения служили сложные сигналы типа РИП и НИП с внутриимпульсной ФМ. На рис. 5.1 я представлен пример огибающей импульсной последовательности с ШИМ. Длительность т импульсов модулируется в соответствии с исходной функцией AM (2.26). Соответствие AM и ШИМ устанавливается согласно формуле (3.9), исходя из условия равенства энергий сигналов на каждом интервале временной дискретизации Д/. Длительность этого интервала зависит от минимальной длительности зондирующего импульса г # =То, которая регламентируется здесь разрешающей способностью по дальности. На рис. 5.16 представлен пример огибающей пачки с ЧИМ. Длительность межимпульсного интервала Тш (или частота импульсов) модулируется согласно исходной функции AM (2.26). Соответствие AM и ЧИМ устанавливается формулой (3.16), из условия равенства энергий сигналов на интервале Тш — t0i+j - t0i. Длительность максимального интервала ТИМ зависит от длительности импульса т0, которая регламентируется здесь разрешающей способностью по дальности. Длительность пачек ШИМ и ЧИМ (Тп) устанавливается равной максимальной задержке (ТМАХ) принимаемого сигнала. Интервал между пачками (рис. 3.1) устанавливается не меньшим максимальной задержки. На рис. 5.1 в представлен пример огибающей НИП. Параметры НИП, при заданных скважности и максимальной задержке, устанавливаются в соответствии с условиями: ной задержке, устанавливаются в соответствии с условиями: Q = NJ(nN +1+ТМАХ И), где N и nN — длина последовательности и количество импульсов НИП соответственно; Ти — TMAX(N(Q - QHMU))1 Испытательный полигон располагался на юго-восточном побережье Крыма в районе поселка Солнечная Долина. Условия эксперимента максимально приближены к условиям задачи обнаружения дальних надводных объектов при умеренном (3-4 балла) волнении моря. В качестве объекта обнаружения выбран стабильный отражатель на дальности 12 км на острие мыса, выступающего далеко в море, вблизи горного массива Кара-Даг (рис. 5.2). Цель выбиралась с помощью оптических приборов и импульсной РЛС «Tesla», таким образом, чтобы отметка -цели была единственной в середине интервала длиной не менее 3 км. Сигнал от цели превышал собственный шум приемника не менее чем на 20 дБ. Выбранный точечный объект имитировал малоразмерную неподвижную надводную цель. Использованная схема эксперимента позволила провести долговременные измерения при различных состояниях моря. Ширина диаграммы направленности антенны составляла один угловой градус, как в вертикальной плоскости, так и в горизонтальной. Разрешающая способность по дальности — 150 м. Зондирование производилось с противоположного берега залива при фиксированном положе 131 ний антенны, ориентированной в направлении на тестовую цель. Цель облучалась со стороны моря, следовательно, помехи обусловленные влиянием боковых лепестков функции неопределенности сигнала, порождались отражениями от берега и морской поверхности в основном в ближней к РЛС зоне. Эксперименты проводились в октябре и ноябре 1984 г. Сезон характерен стабильной штормовой погодой, обеспечивающей мощные стационарные помехи от моря. Прямые эксперименты по обнаружению надводных целей оказались полезными только как разрозненные факты, подтверждающие эффективность использования предлагаемых сигналов, но малопригодными для количественных оценок, из-за не повторяемости условий, наличия временных ограничений, штормовых предписаний и других регламентации для судоводителей объектов-целей, заказываемых для проведения измерений. Тем не менее, был проведен ряд успешных опытов по обнаружению специальных и случайных целей, а также плановое сопровождение подводной лодки в надводном положении на дальностях 300 м до 22 км.
