Принципы автоматического обнаружения воздушных объектов

Устройства, осуществляющие автоматическое обнаружение воздушного объекта, относятся к классу решающих устройств, которые в результате обработки сигнала приемного тракта выдают решение «есть цель» или «нет цели». Когда на выходе приемного тракта наблюдается смесь «сигнал + шум», то должно приниматься решение «есть цель»; в случае чистого шума – решение «нет цели». Таким образом, устройство должно обладать способностью различать чистый шум и смесь.

Алгоритм работы обнаружителей базируется на различных критериях. При использовании весового критерия осуществляется задержка импульсов пачки отраженного сигнала на время, кратное периоду повторения с последующим их суммированием в соответствии с весовыми коэффициентами q_i, отражающими форму диаграммы направленности антенны. Аналитически алгоритм определяется следующим образом

, (4.29)

где т – число зондирований;

х_i – значения, равные 0 или 1 (i = 1, …, т);

с – порог обнаружения.

Весовой метод обнаружения не нашел широкого применения в силу сложности реализации.

Если принять q_i = 1 (пачка прямоугольная), то обнаружение сводится к подсчету числа «1» на т смежных позициях и сравнении полученной суммы с порогом

.

Этот алгоритм положен в основу безвесового или критерийного метода обнаружения. Особенностью метода является необходимость двухпороговой процедуры обнаружения: обнаружение отдельных импульсов пачки и обнаружение пачки. Для разделения сигнала и помехи используют различия по амплитуде, длительности и протяженности по азимуту. Вначале отфильтровываются сигналы, амплитуды которых меньше порога обнаружения, затем сигналы, не удовлетворяющие критерию по длительности импульсов и наконец сигналы, которые не имеют приемлемой протяженности пачки по азимуту.

Процесс автоматического обнаружения начинается с преобразования аналогового сигнала с выхода приемника в бинарно-квантованные сигналы. Суть бинарного квантования состоит в следующем. Сигнал u(t) с выхода приемника (или детектора) подается на пороговое устройство. В момент, когда сигнал превысит установленный порог u₀, генерируется стандартный импульс («единица»), длительность, величина и форма которого каждый раз одинаковы (рис. 4.34)

Таким образом, при бинарном квантовании решение представляется функцией Z, которая принимает значение 0 или 1:

В результате бинарного квантования осуществляется преобразование сигнала в цифровую форму, что дает возможность впоследствии осуществлять обработку информации на цифровых ЭВМ.

Влияние помех в процессе бинарного квантования проявляется в том, что могут появляться ложные единицы («ложные тревоги») или ложные нули («пропуск цели»). Поэтому величина порога U₀ устанавливается исходя из условий оптимальности, как это было указано ранее.

Как правило, радиолокационные станции работают таким образом, что в процессе обзора пространства каждый объект облучается многократно, поэтому сигнал от объекта представляется не одним отраженным импульсом, а пачкой импульсов. Обнаружение объекта по пачке дает лучшие результаты, так как для выработки решения используется значительно больший объем информации, нежели в случае одиночного сигнала. Действительно, многократное появление импульса на одном и том же участке развертки существенно повышает уверенность в том, что объект есть. Вместе с тем, вероятность события, что каждый раз на одном и том же месте будет возникать ложный импульс, мала и, причем, тем меньше, чем более длительна эта последовательность.

Пачка квантованных сигналов представляется азимутальной последовательностью стандартных импульсов, а в цифровой форме – азимутальной последовательностью нулей и единиц (рис. 4.35). Величина N_П называется шириной пачки: она равна числу позиций, на которых имеются единицы, при условии, что шум отсутствует. Ширина пачки существенно меняется в зависимости от мощности принимаемого сигнала и уровня ограничения U₀.

Часто для принятия решения используют не всю пачку, а только часть из т позиций, так что т<<N_П. Это является алгоритмом оптимального обнаружения по методу «k из т». Процедура обнаружения методом «k из т» сводится к подсчету числа единиц на т рядом расположенных позициях, и если число единиц будет больше некоторого установленного числа k (или хотя бы ровно k), то выдается решение «есть цель».

Алгоритм достаточно просто реализуется в технике. Возможная функциональная схема решающего устройства для т = 3 представлена на рис. 4.36. Оно действует следующим образом. С квантизатора сигналы «ноль» и «единица» поступают на линии задержки ЛЗ, каждая из которых задерживает их ровно на период повторения импульсов РЛС Т_П. Далее сигналы суммируются на сопротивлении R и результирующее напряжение подается на пороговое устройство. Порог при помощи регулировок устанавливается такой величины, чтобы при поступлении на сопротивление одновременно k или более импульсов («единиц») устройство срабатывало и выдавало решение «есть цель».

Структура обнаружителей бинарно-квантованных сигналов может быть реализована следующим образом (рис. 4.37)

Порог U₀ выбирается из условия обеспечения заданной вероятности ложной тревоги. При этом пороговое устройство реализует первый (амплитудный) критерий автоматического обнаружения. Критерий по азимутальной протяженности пачки отраженного сигнала проверяется в цифровом компараторе. Для этого на один из входов компаратора подается код порога принятия решения U_n, который формируется следующим образом. Число импульсов в ожидаемой пачке отраженного сигнала равно

, (4.30)

где F_n – частота повторения импульсов запуска РЛС;

Q_b – ширина диаграммы направленности антенны РЛС;

6^о – поправочный множитель;

V_вр – скорость вращения антенны РЛС.

Уровень порога U_n устанавливается следующим образом

.

Таким образом, при выполнении обоих критериев принимается решение об обнаружении.

Критерийный обнаружитель может быть выполнен в соответствии со схемой, изображенной на рис. 4.38.

С помощью этой схемы реализуется критерий «k из 6» (k/6). В процессе обнаружения на вход устройства подаются сигналы со стабилизатора уровня ложных тревог. Эта информация за пять последовательных периодов следования импульсов запуска запоминается в оперативном запоминающем устройстве ОЗУ1 и вместе с сигналами текущего периода поступает на вход сумматора SM1. Сумматор подсчитывает количество импульсов обнаружения в шести последовательных периодах зондирования для каждого дискрета дальности. Далее двоичный трехразрядный код суммы поступает на схему критерийной обработки, где сравнивается с двоичным трехразрядным кодом критерия обнаружения. При выполнении критерия формируется сигнал обнаружения.

Алгоритмы автоматического обнаружения и измерения координат воздушных объектов предполагают обязательное разбиение зоны обзора на отдельные дискреты по дальности и азимуту (рис.4.39).

Размер дискрет выбирается из следующих соображений. Минимальный размер дискрета по дальности h_D может быть ограничен величиной разрешающей способности по дальности. Максимальный размер дискрета по дальности ограничен ошибками измерения дальности, которая составляет 1/2 h_D.

Размер дискрета по азимуту определяется ошибками измерения координаты азимута. Обычно в РЛС эти дискреты задаются масштабными азимутальными импульсами (МАИ), число которых за обзор равно 4096.

Аналоговый обнаружитель отраженных сигналов может быть реализован в соответствии со схемой, изображенной на рис.4.40.

Входное пороговое устройство обеспечивает нормировку входного сигнала. Порог U₀ выбирается в соответствии с заданной величиной вероятности ложной тревоги. Линия задержки многоотводная. Время задержки между отводами соответствует периоду повторения импульсов запуска. При наличии импульсов отраженного сигнала в соответствующих периодах зондирования и при повышении их суммы установленного порога обнаружения u_n, принимается решение об обнаружении.

4.2. Измерение координат и параметров движения

Измерение дальности

Основываясь на свойствах распространения электромагнитных волн в диапазоне СВЧ (прямолинейность и постоянство скорости, равной скорости света) можно определить параметр, позволяющий оценить дальность. Таким параметром является время запаздывания t_з отраженного сигнала относительно излученного. Дальность в этом случае определится следующим образом:

,

где с – скорость распространения света.

Число 2 в знаменателе учитывает, что электромагнитная волна проходит путь от РЛС до объекта и от объекта до РЛС, т.е. дважды.

При неавтоматическом измерении дальности используется индикатор кругового обзора (рис.4.41.). Значение координаты отсчитывается относительно масштабных отметок дальности.

Индикаторы кругового обзора относятся к индикаторам с яркостной отметкой. Обнаруженный сигнал отображается в виде светящейся отметки. Координаты воздушного объекта определяются по положению отметки относительно масштабных отметок дальности и азимута. Процесс определения дальности сопровождается ошибками измерения, основными из которых являются:

а) ошибки за счет запаздывания сигнала в цепях обработки за счет неточности синхронизации генераторов развертки;

б) ошибки за счет искажения формы развертывающих напряжений;

в) ошибки за счет нестабильностей питающих напряжений;

г) ошибки за счет отсчета.

Ошибки, указанные в пунктах а и б относятся к категории систематических и могут быть учтены. Другие две ошибки случайны. Наиболее значительны ошибки отсчета, которые возникают: вследствие неточного определения истинного положения переднего фронта отраженного сигнала на линии развертки; за счет параллакса и интерполяции; при конечных размерах апертуры (развертывающего пятна); за счет шумов. Минимальная ошибка измерения дальности в ИКО составляет

,

где d – диаметр пятна;

m – масштаб развертки дальности.

Для уменьшения ошибок необходимо добиваться наилучшей фокусировки луча и выбирать более крупный масштаб.

Дальность может быть измерена при использовании счетных импульсов, имеющих высокую стабильность частоты повторения (Рис.4.42.).

Импульс запуска РЛС переводит триггер в состояние, при котором открывается каскад совпадения, через который счетные импульсы поступают на счетчик. Импульс обнаружения переводит триггер в другое состояние, при котором каскад совпадения закрывается. На выходе счетчика фиксируется код, соответствующий количеству импульсов на его входе

,

где Д – дальность;

с – скорость света;

F_п – частота повторения тактовых импульсов.

Показание дальности изменится только тогда, когда число N изменится, по крайней мере, на единицу. В этом случае имеет место дискретность отсчета, равная

.

Дискретность отсчета обусловливает ошибку измерения дальности, которая равна

.

Число разрядов счетчика п определяется максимальной дальностью и допустимой ошибкой измерения

.

Например, при Д_макс=200 км и Δ_Д =20 м, 2^п=10⁴, откуда п=14.

Устройство, изображенное на рис. 4.42, позволяет за один период импульсов запуска измерить дальность только до одного объекта.

Более предпочтительным является метод автоматического измерения дальности, алгоритм которого состоит в следующем. Зона обнаружения РЛС по дальности разбивается на отдельные дискреты (рис. 4.43), величина которых определяется длительностью импульса (минимальный размер) и максимальной ошибкой измерения дальности (максимальный размер).

Период следования импульсов запуска (из) определяет максимальную дальность обнаружения воздушных объектов. Устройство измерения дальности должно быть многоканальным, т.к. за один период зондирования необходимо обеспечить измерения дальностей до нескольких объектов, имеющих одинаковую азимутальную координату.

При автоматическом измерении дальность определяется по номеру дискрета N_Д, в котором наблюдается отметка

,

где h_Д – длительность одного дискрета дальности.

Номер дискрета может быть установлен путем счета тактовых импульсов, которыми дискретизируется дальность за время периода повторения Т_п импульсов запуска. Устройство измерения дальности может быть выполнено в соответствии со структурой, изображенной на рис. 4.44.

Работает устройство следующим образом. Импульс запуска РЛС «обнуляет» счетчик. С поступлением тактовых импульсов ТИ на выходе счетчика формируется текущий код дальности, который выдается на одни из входов схем совпадения «И». В ответном сигнале ответчика формируется координатный код, представляющий собой время – импульсный код, состоящий из двух импульсов. Дешифрация координатного кода реализуется линией задержки и схемой совпадения «И». В результате дешифрации на выходе схемы совпадения появляется импульс, разрешающий выдачу кода дальности на выходы схемы совпадения «И». Следующий цикл работы начинается с «обнуления» счетчика. Число разрядов цифрового кода дальности зависит от общего числа дискретов дальности. При измерении дальности в первичных РЛС разрешение на выдачу текущего кода дальности на выход измерителя дает импульс с генератора импульсов считывания (ГИС), формируемой с приходом импульса обнаружения (ИО).

Измерение азимута

Применяется метод максимума при измерении угловых координат.

Метод максимума относится к амплитудным методам измерения угловых координат, которые основаны на использовании направленных свойств антенн. Пеленгация методом максимума (рис. 4.45) осуществляется путем совмещения направления максимума пеленгационной характеристики (или диаграммы направленности антенны) β с направлением на пеленгуемый объект β₀ в результате плавного вращения антенны. Пеленг (азимут) отсчитывается в тот момент, когда напряжение на выходе приемника становится максимальным.

Практическая реализация метода максимума может быть осуществлена следующим образом.

В случае неавтоматического определения азимута, координата отсчитывается по середине обнаруженной отметки (отсчет в азимутальной плоскости) относительно масштабных отметок азимута. Основными достоинствами метода максимума являются: простота определения угловых координат, а также то, что в момент точного пеленга имеет место наибольшее отношение сигнал-шум, так как отсчет производится по максимуму сигнала.

Одним из основных недостатков метода является низкая точность, обусловленная малой остротой вершины сигнала. В РЛС с достаточно узкими диаграммами направленности антенн ошибка измерения азимута составляет

,

где – ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности

(рис. 4.46).

Для уменьшения ошибок измерения азимута необходимо применять меры, позволяющие сделать луч более узким (например, увеличивать линейный размер антенны).

При автоматических методах измерения координат зона, в пределах которой обеспечивается прием и обнаружение сигналов, разбивается на элементы по дальности и азимуту. Величина дискрет по дальности и азимуту выбирается из допустимых ошибок измерения координат.

Число дискрет по азимуту в системах радиолокации выбрана 4096, что обеспечивает ошибку при измерении азимута 5 угловых минут. Это удовлетворяет требованиям по точностным характеристикам.

Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости симметрична, поэтому азимут объекта может быть определен следующим образом:

, (4.31)

где β_н – азимут начала пачки;

β_к – азимут конца пачки

Δβ – систематическая ошибка, обусловленная смещением β_н и β_к при проверке критериев обнаружения начала и конца пачки.

Структура измерителя азимута изображена на рис. 4.47.

Работа схемы заключается в следующем. С приходом импульса «Север» счетчик «обнуляется». При поступлении масштабных азимутальных импульсов (МАИ), на выходе счетчика формируется цифровой код, представляющий собой текущий код азимута. Этот код поступает на одни из входов схем совпадения «И», на вторые входы которых подаются импульсы считывания с генератора импульсов считывания (ГИС). При наличии импульсов считывания на выходы схем совпадения выдаются цифровые коды β_н и β_к, которые поступают в спецвычислитель, где определяется азимут воздушного судна.

Формирование импульсов начала и конца пачки отраженного сигнала осуществляется следующим образом. Для ослабления влияния ложных импульсов и пропусков сигнала на точность измерения начало и конец пачки определяются по специальному критерию (логике). В качестве критерия может быть выбран следующий. Если за три последовательных периода повторения обнаружен один импульс, он считается ложным (рис. 4.48), если два – они считаются началом пачки. Конец пачки отмечается, если в трех последовательных периодах после начала впервые обнаружен пропуск двух импульсов (пропуск только одного импульса считается ложным).

В общем случае может использоваться логика «k из т». Логики могут быть целыми (k = т) и дробными (k < m). Для определения начала и конца пачки могут использоваться одинаковые логики либо различные. При использовании различных логик менее жесткая определяет конец пачки, чтобы исключить ее дробление вследствие флюктуационного выпадения отдельных импульсов. Например, если начало пачки определяется по логике «3 из 3» (3/3), тогда конец пачки будет определяться по логике «2 из 3» (2/3). В некоторых случаях конец пачки определяется тогда, когда в смежных периодах повторения импульсы отсутствуют l раз (l нулей подряд). Такую логику обозначим как «k/m – l».

Структурная схема формирователя импульсов начала и конца пачки изображена на рис. 4.49.

Генератор стандартных импульсов срабатывает, когда импульсы с выхода приемника превысят некоторый порог. В дальнейшем осуществляется проверка критериев обнаружения импульсов начала и конца пачки и формирование этих импульсов. На рис. 4.50, 4.51. изображены обнаружители импульсов начала и конца пачки.

Приведенные обнаружители осуществляют анализ по критерию «2 из 3». Поступающие на вход импульсы задерживаются на один и два периода повторения, суммируются и подаются на пороговое устройство, которое срабатывает при суммировании не менее двух импульсов. Формирование импульсов начала и конца пачки реализуется схемой, состоящей из линии задержки и каскада несовпадения, пропускающего сигналы, если они одновременно отсутствуют на двух входах.

На рис. 4.52 изображены эпюры напряжений, поясняющие процесс формирования импульсов начала и конца пачки.

Следует подчеркнуть, что в процессе проверки критериев обнаружения импульсов начала и конца пачки, происходит сдвиг этих импульсов относительно действительного положения импульсов пачки. Это является систематической ошибкой, которая должна быть учтена в вычислителе азимута

, (4.32)

где Δβ – поправка, учитывающая время проверки критериев обнаружения.

При использовании критерия «k/m – l» начало пачки β_н оказывается смещенным вправо на (т – 1) позиций, а конец пачки β_к – на l позиций. В этом случае систематическая поправка Δβ равна

, (4.33)

где – угловой дискрет (угол между соседними азимутальными позициями).

Рассмотренные схемы обработки являются однопороговыми.

4.3.1. Разрешение сигналов

Под разрешением сигналов понимают возможность раздельно обнаруживать и измерять параметры сигналов от близко расположенных целей. Разрешение сигналов неизбежно происходит на фоне шумов, которые могут существенно осложнить разрешение и ухудшить его характеристики. Это объясняется тем, что выбросы шума, будучи случайными, могут принять любую форму и при взаимодействии с сигналами исказить суммарное колебание таким образом, что сигналы, разрешаемые в отсутствие шума, не будут разрешаться при его действии. Поэтому задача разрешения сигналов является статистической. Статистический подход к разрешению сигналов позволяет синтезировать оптимальные устройства разрешения, обеспечивающие потенциальную разрешающую способность. Влияние шума на разрешение сигналов уменьшается по мере увеличения отношения сигнал-шум, равного, как и при обнаружении сигналов, отношению удвоенной энергии этих сигналов к спектральной интенсивности шума.

Обычно необходимость разрешения сигналов возникает при их уверенном обнаружении, когда отношение сигнал-шум достаточно велико. Однако сколь малыми не были бы шумы, именно их наличие ограничивает разрешающую способность радиосистем.