Устройство радиолокационного распознавания целей на фоне помех

 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для обнаружения и распознавания искусственных воздушных целей на фоне пассивных помех. Достигаемый технический результат - распознавание целей с нелинейными характеристиками в условиях помех на основной частоте зондирования. Для решения поставленной задачи в состав известного устройства включают четвертый смеситель, линию задержки, схему вычитания, два интегратора, двухполупериодный выпрямитель, делитель, блок идентификации и второй индикатор с соответствующим изменением межблочных связей. При этом признаком распознавания является нормированная сумма изменений интенсивности отражения от импульса к импульсу, а нормирование выполняется делением абсолютной суммы вариаций отражений от цели на весовой коэффициент, значение которого прямо пропорционально дальности до цели, что и реализуется в данном устройстве. 1 ил.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для обнаружения и распознавания искусственных воздушных целей на фоне пассивных помех (метеообразований, земной или морской поверхностей) и в условиях преднамеренных активных помех на основной частоте зондирования.

Известно устройство обнаружения сигналов [1], содержащее 1-ю и 2-ю антенны, импульсный модулятор (ИМ), задающий генератор (ЗГ), гетеродин, когерентный гетеродин, местный гетеродин, четыре смесителя, два усилителя промежуточной частоты (УПЧ) и устройство вычитания. При этом 1-я антенна связана с 1-м выходом ЗГ, вход которого соединен с выходом ИМ, а 2-й выход - с 1-м входом 2-го смесителя, 2-й вход которого подключен к 1-му выходу местного гетеродина, а выход - ко входу когерентного гетеродина, связанного своим выходом с 1-м входом 4-го смесителя, выход которого соединен со входом устройства вычитания, а 2-й вход - с выходом 2-го УПЧ, вход которого связан с выходом 3-го смесителя, 1-й вход которого соединен с входом гетеродина, а 2-й вход - с выходом 1-го УПЧ, вход которого подключен к выходу 1-го смесителя, 1-вход которого связан со 2-й антенной, а 2-й вход - со 2-м выходом местного гетеродина.

Указанное устройство способно обнаруживать движущиеся объекты на фоне пассивных помех (подстилающей поверхности). Однако это устройство не обеспечивает помехозащищенность при измерении радиальных скоростей объектов, так как против него может быть применена преднамеренная помеха на основной частоте зондирующего сигнала, отражение на которой с учетом доплеровской поправки используется для обнаружения объектов на фоне местных предметов. К тому же данное устройство не может распознавать (различать) цели разных размеров на фоне малоподвижных метеообразований.

Известно также устройство обнаружения целей на фоне помех [2], содержащее синхронизатор, ИМ, усилитель мощности (УМ), 1-ю и 2-ю антенны, ЗГ, умножитель частоты (УЧ), 1-й амплитудный детектор (АД), УПЧ, три смесителя, 1-й индикатор, делитель частоты (ДЧ), гетеродин, М полосовых фильтров (ПФ) и М вторых АД. При этом синхронизатор, ИМ, УМ и 1-я антенна имеют последовательное включение. Также последовательно включены ЗГ, УЧ, второй смеситель, УПЧ, первый АД и 1-й индикатор. Задающий генератор соединен, кроме того, со 2-м входом УМ, а синхронизатор 1 - с сихронизирующим входом индикатора. Выход 2-й антенны подключен к 1-му входу 1-го смесителя, выход которого соединен со 2-м входом 2-го смесителя, а 2-й вход - одновременно с выходом гетеродина и 1-м входом 3-го смесителя, 2-й вход которого соединен с выходом УПЧ, а выход - со входом ДЧ, выход которого соединен одновременно со входами М ПФ, выходы которого соединены со входами соответствующих из М вторых АД, выходы которых подключены к соответствующим из М вторых входов первого индикатора.

Описанное устройство устраняет один из недостатков аналога [1], а именно, оно позволяет обнаруживать движущиеся цели как в условиях постановки активных помех на частоте зондирующего сигнала, так и в условиях пассивных помех в форме отражений от подстилающей поверхности и метеообразований. Однако проблема радиолокационного распознавания воздушных целей в данных условиях в этом устройстве не решена.

Задачей изобретения является обеспечение возможности распознавания целей, обладающих нелинейными характеристиками, на фоне пассивных помех и в условиях преднамеренных активных помех на основной частоте зондирования.

Для решения поставленной задачи в состав известного устройства [2] дополнительно включают еще один (4-й) смеситель, линию задержки (ЛЗ), схему вычитания (СВ), два индикатора, двухполупериодный выпрямитель (ДППВ), делитель, блок идентификации (БИ) и 2-й индикатор. При этом выход 1-го АД соединяют одновременно со 2-м входом СВ, входом ЛЗ и входом 2-го интегратора, выход которого подключают ко 2-му входу делителя, выход которого соединяют со входом БИ, а 1-й вход - с выходом 1-го интегратора, вход которого соединяют с выходом ДППВ, вход которого подключают к выходу схемы вычитания, 1-й вход которой подключают к выходу линии задержки. Кроме того, выходы М вторых амплитудных детекторов соединяют с соответствующими из М входов второго индикатора.

Новые элементы устройства, а именно смеситель, линия задержки, схема вычитания [3, с. 195, 458], интеграторы, двухполупериодный выпрямитель, делитель, блок идентификации и индикатор [4, с. 15 - 44] широко известны в радиолокационной технике и используются по типовому предназначению.

Внутренняя структура этого устройства построена так, что устраняет недостаток, свойственный прототипу [2]. Это обусловлено тем, что в предлагаемом устройстве применен алгоритм вычисления изменения амплитуды отраженного сигнала в течение периода повторения T_и импульсов радиолокатора. Следует заметить, что при прочих равных условиях (одинаковых величине турбулентности атмосферы, высоте и скорости полета цели) величина изменения уровня отраженных сигналов является функционалом типа цели. Это подтверждается качественными и количественными различиями изрезанностей диаграмм обратного вторичного излучения (ДОВИ) у целей различных размеров и типов [3, с. 49, рис. 2.7, 4, с. 140, рис. 3.4.2.]. Таким образом, у целей с различными размерами, геометрией и величинами эффективных площадей рассеяния составляющих их элементов интенсивности отражений и скорость их изменения с течением времени будут отличаться. Указанный факт положен в основу работы предлагаемого устройства, в котором признаком распознавания выступает нормированная и защищенная от помех сумма абсолютных изменений амплитуд отраженных сигналов, происходящих от импульса к импульсу, вычисленная в течение некоторого интервала времени, именуемого циклом распознавания. Нормировка признака достигается делением вычисленной суммы вариаций амплитуд на весовой множитель (коэффициент), пропорциональный дальности до цели D_ц. Этот коэффициент рассчитывается как результат суммирования (интегрирования) амплитуд всех импульсов, отраженных за время выделения признака (цикла распознавания). Поскольку величина такой суммы находится в известной зависимости от дальности до цели, то деление на нее суммы вариаций амплитуд устраняет зависимость предложенного признака распознавания от удаления цели от РЛС. Легко понять, что используемая для распознавания в предложенном устройстве информация заключена в характере ДОВИ, а точнее - в характере изменения ДОВИ за интервал установленного цикла распознавания. На чертеже представлена структурная схема устройства радиолокационного распознавания целей на фоне помех. Устройство содержит синхронизатор 1, ИМ 2, УМ 3, 1-ю антенну 4, 1-й индикатор 5, ЗГ 6, УЧ 7, 2-ю антенну 8, 1-й АД 9, 4-й смеситель 10, 2-й смеситель 11, 1-й смеситель 12, УПЧ 13, 3-й смеситель 14, гетеродин 15, ЛЗ 16, СВ 17, ДППВ 18, 1-й интегратор 19, ДЧ 20, БИ 21, делитель 22, 2-й интегратор 23, М ПФ 24, М вторых АД 25 и 2-й индикатор 26.

Стрелками на чертеже показаны межблочные связи, кроме некоторых цепей синхронизации, не имеющих принципиального значения. Предложенное построение схемы позволяет за счет накопления (интегрирования) величин перепадов интенсивности отраженного сигнала, происходящих от импульса к импульсу (за время T_и), в течение определенного временного интервала производить распознавание воздушных целей в условиях помех с высокой вероятностью.

Устройство радиолокационного распознавания целей на фоне помех работает следующим образом.

Высокочастотные гармонические колебания на несущей частоте f с выхода задающего генератора 6 поступают на 2-й вход УМ 3, который по 1-му входу модулируется сигналом ИМ 2, запускаемого сигналом синхронизатора 1. На выходе УМ 3 получаются радиоимпульсы, то есть импульсы с высокочастотным заполнением, которые поступают на вход 1-й антенны 4 и излучаются ею в направлении распознаваемой воздушной цели, расположенной на фоне пассивной помехи и обладающей нелинейной характеристикой расстояния [2, 5].

Отраженный от искусственной воздушной цели сигнал, в отличие от сигнала пассивной помехи, имеет составляющую не только на частоте f + f_д, где f_д - частота доплеровского сдвига, обусловленная движением объекта (пассивной помехи), но и на n-й гармонике n(f + f_д) частоты отраженного сигнала [2, 5], так как искусственным целям характерна нелинейность переходной характеристики.

Вторая антенна 8 выполнена избирательной по частоте. Она принимает отраженные сигналы только на частоте n(f + f_д), свойственной искусственным целям с нелинейной характеристикой. Сигналы на частотах f + f_д 2-й антенной 8 приниматься не могут и в дальнейшей обработке не участвуют. Таким образом, селекция по частоте приводит к тому, что отражения от местных предметов и метеообразований не поступают в устройство обработки и, таким образом, не маскируют полезные сигналы целей. К этому можно добавить и то, что преднамеренная активная помеха, предпринятая противником на частоте разведанного зондирующего сигнала, также не окажет влияния на прием полезных отражений от целей.

Сигнал на частоте n(f + f_д) через 2-ю антенну 8 поступает на 1-й вход первого смесителя 12, на 2-й вход которого поступает сигнал гетеродина 15 на промежуточной частоте f_пр. На выходе первого смесителя 12 формируется сигнал на частоте n(f + f_д) + f_пр, который поступает на 1-й вход 2-го смесителя 11, на 2-й вход которого поступает сигнал, имеющий частоту nf, с выхода УЧ 7. Сигнал частоты nf получается в результате преобразования частоты задающего генератора 6 в УЧ 7.

В схеме предлагаемого устройства все 4 используемых смесителя имеют на выходе сигналы различных частот. Однако известно, что на выходе любого смесителя кроме сигнала нужной (полезной) частоты выделяются также сигналы комбинационных частот. Для подавления этих вредных сигналов обычно используются фильтры. В представленном чертеже фильтры отсутствуют, так как предполагается, что любой смеситель имеет в своем составе на выходе фильтр, настроенный только на полезный сигнал. Наличие в схеме отдельных фильтров только усложнило бы чертеж, но не повлияло бы на замысел работы устройства. Поэтому фильтры умышленно спрятаны во внутренней структуре используемых смесителей.

Сигнал с выхода 2-го смесителя 11 на частоте nf_д + f_пр поступает одновременно на 1-й вход 4-го смесителя 10 и 2-й вход смесителя 14, на 1-й вход которого поступает сигнал промежуточной частоты с выхода гетеродина 15. Выходной сигнал 3-го смесителя 14 на частоте nf_д подается на 2-й вход 4-го смесителя 10, выходной сигнал которого на частоте f_пр поступает в УПЧ 13 для основного усиления.

Усиленный в УПЧ 13 сигнал поступает далее на вход 1-го АД 9, функциональное предназначение которого заключается в выделении огибающей отраженного сигнала, то есть в преобразовании радиосигнала в видеосигнал. Этот видеосигнал подается затем на 1-й вход 1-го индикатора 5, на 2-й вход которого подаются синхронизирующие импульсы с выхода синхронизатора 1. Первый индикатор 5 предназначен для визуального наблюдения оператором РЛС отметки от цели, выбранной для сопровождения и распознавания. Индикатор 5 имеет в своей основе электронно-лучевую трубку, на экране которой отметки от целей высвечиваются в виде видеоимпульсов, по положению которых относительно начала шкалы можно судить об удалении цели от РЛС [4, с. 15 - 16], то есть о наклонной дальности цели (для чего на 2-й вход и подаются синхроимпульсы из блока 1).

Сигнал с выхода 1-го АД 9 поступает, кроме того, одновременно на вход ЛЗ 16, 2-й вход СВ 17 и на вход 2-го интегратора 23. Линия задержки 16 необходима для задержки сигналов на время, равное периоду повторения (τ_з= T_и) зондирующих импульсов РЛС. С выхода ЛЗ 16 сигналы поступают на 1-й вход СВ 17, которая обеспечивает сравнение амплитуд (вычитание) отраженных сигналов 2-х смежных периодов зондирования. Различие амплитуд сравниваемых в СВ 17 сигналов характеризует вид или тип цепи (изрезанность ДОВИ).

Выходной сигнал СВ 17 поступает на вход ДППВ 18, сигнал на выходе которого равен модулю измеренной разности 2-х сигналов, поступивших одновременно на 1-й и 2-й входы СВ 17. Выходные сигналы ДППВ 18 поступают на вход 1-го интегратора 19, где производится их накопление за интервал формирования признака распознавания. Выходной сигнал 1-го интегратора 19 поступает на 1-й вход делителя 22, принимающего на своем 2-м входе сигнал с выхода 2-го интегратора 23. Второй интегратор 23 осуществляет интегрирование амплитуд отраженных сигналов на интервале формирования признака распознавания.

В результате деления выходного сигнала 1-го интегратора 19 на выходной сигнал 2-го интегратора 23 формируется признак распознавания воздушной цели, который индифферентен к удалению цели от РЛС. Величина формируемого признака определяется изрезанностью ДОВИ, непосредственно характеризующей вид (тип) распознаваемой цели. Сформированный признак распознавания с выхода делителя 22 поступает на вход БИ 21.

БИ 21 представляет собой устройство [6], структурно состоящее из блока хранения порогов (БХП), запоминающего устройства (ЗУ), схемы сравнения (СС) и табло вывода результатов (на чертеже не показаны). Сигнал с выхода делителя 22 поступает на вход ЗУ, которое подает входной сигнал на 1-й вход СС в течение промежутка времени, необходимого для сравнения входного сигнала с набором пороговых сигналов, поступающих поочередно на 2-й вход СС из БХП. При превышении сигналом ЗУ очередного порога (пороги подаются в порядке убывания) на выход СС проходит сигнал, пропорциональный уровню порога. Этот сигнал отключает от СС блок хранения порогов и обнуляет выход ЗУ до начала следующего цикла распознавания. Кроме того, этот сигнал поступает на табло вывода результатов, в котором в соответствии с уровнем входного сигнала загорается индикатор (светодиод, лампа) распознанного класса или типа воздушной цели.

Как и в прототипе [2], сигнал с выхода 3-го смесителя 14 на частоте nf_д поступает на ДЧ 20, где производится понижение его частоты в n раз, чем обеспечивается соответствие частоты сигнала истинным доплеровским сдвигам, обусловленным движением цели. Далее (с выхода ДЧ 20) сигнал следует на гребенку ПФ 24, каждый из которых имеет свою узкую полосу пропускания. Совместная полоса пропускания М полосовых фильтров 24 определяется диапазоном анализируемых доплеровских частот ΔF_д, а число М фильтров 24 составляет M = ΔF_д/П, где П - эффективная полоса пропускания одного ПФ 24. Чем меньше значение П, тем выше частотная избирательность и соответственно - разрешающая способность по скорости, но тем большее количество ПФ 24 требуется для перекрытия всего анализируемого доплеровского частотного диапазона.

На выходе каждого ПФ 24 стоит свой 2-й АД 25, предназначенный для детектирования сигнала определенной частоты, прошедшего через ПФ 24 [2]. Сигналы с выходов М вторых АД 25 подаются на соответствующие из М входов 2-го индикатора 26. По номеру ПФ 24, через который пройдет сигнал с частотой f_д, определяется радиальная скорость сопровождаемой и распознаваемой цели, которая выводится на экран 2-го индикатора 26 [4, с. 81, рис. 2, 8]. Данный индикатор имеет М входов, каждый из которых соединен с соответствующим 2-м АД 25. Номер входа индикатора 26, на котором окажется сигнал достаточного уровня, определяет значение скорости цели V_ц, выводимой на экран индикатора 26.

Положительный эффект, обусловленный введением новых элементов в схему предлагаемого устройства, определяется тем, что оно, в отличие от прототипа [2], обеспечивает возможность не только обнаруживать и измерять дальность D_ц и радиальную скорость V_ц цели при пассивных помехах и преднамеренных активных помехах на основной частоте зондирования, но и распознавать тип цели в указанных условиях.

Литература 1. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника безопасности радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981. стр. 391, рис. 21.15 (аналог).

2. Свидетельство на полезную модель N 4172 "Устройство обнаружения объектов на фоне помех". МПК⁶ G 01 S 13/02. Заявка N 96105838. Приоритет 27.03.96 г. Опубл. 16.05.97 г.

3. Теоретические основы радиолокации /Под ред. В.Е. Дулевича. - М., Сов. радио, 1978, 608 с.

4. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. - М., Радио и связь, 1983, 536 с.

5. Кузнецов А.С., Кутин Г.И. Методы исследования нелинейного рассеяния электромагнитных волн //Зарубежная радиоэлектроника, 1985, N 4, с. 41 - 53.

6. Патент РФ N 2079857. Радиолокационное устройство распознавания воздушных целей. МПК⁶ G 01 S 13/02. Приоритет 30.03.95 г. Опубл. 20.05.97 г.

Формула изобретения

Устройство радиолокационного разпознавания целей на фоне помех, содержащее М полосовых фильтров, М вторых амплитудных детекторов, последовательно соединенные синхронизатор, импульсный модулятор, усилитель мощности и первую антенну, последовательно включенные задающий генератор и умножитель частоты, последовательно соединенные вторую антенну, первый смеситель и второй смеситель, последовательно включенные усилитель промежуточной частоты, первый амплитудный детектор и первый индикатор, последовательно включенные гетеродин, третий смеситель и делитель частоты, причем выход делителя частоты соединен с входами М полосовых фильтров, выход каждого из которых соединен с входом соответствующего из М вторых амплитудных детекторов, выход гетеродина подключен к второму входу первого смесителя, выход задающего генератора подключен к второму входу усилителя мощности, выход синхронизатора соединен с вторым входом первого индикатора, а выход умножителя частоты соединен с вторым входом второго смесителя, отличающееся тем, что дополнительно введены второй индикатор, четвертый смеситель, второй интегратор, последовательно включенные линия задержки, схема вычитания, двухполупериодный выпрямитель, первый интегратор, делитель и блок идентификации, причем выход первого амплитудного детектора соединен одновременно с входом линии задержки, вторым входом схемы вычитания и входом второго интегратора, выход которого подключен к второму входу делителя, выход второго смесителя соединен с первым входом четвертого смесителя и вторым входом третьего смесителя, выход которого соединен с вторым входом четвертого смесителя, выход которого подключен к входу усилителя промежуточной частоты, а выходы М вторым амплитудных детекторов соединены с соответствующими из М входов второго индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1