Способ подавления пассивных помех и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в когерентно-импульсных РЛС для обнаружения и сопровождения движущихся объектов на фоне пассивных помех с неизвестными корреляционными свойствами, а также в системах управления воздушным движением. Достигаемым техническим результатом является повышение эффективности режекции пассивных помех. В предложенном способе синтезирован класс многоканальных режекторных фильтров (МРФ) n-х порядков на основе m-канального разложения вектора Н. Для повышения эффективности режекции помехи двухканальными устройствами с ≥4 вводится третий канал (m=3). Это позволило увеличить эффективность МРФ от 6 до 9 дБ в сравнении с устройством типа ЧПК, а выигрыш у режекторов типа ДРФ составляет примерно до 4 дБ. Эффективность режекции помехи МРФ близка к теоретически оптимальным РФ одноканального типа. Сущность изобретения заключается в том, что многоканальный адаптивный режекторный фильтр содержит последовательно соединенные пять блоков памяти, первый сумматор, первый накопитель, первый делитель, первый умножитель и второй сумматор, причем выход первого сумматора соединен со вторым входом второго сумматора, входы первого, второго, третьего, четвертого и пятого блоков памяти соединены с соответствующими входами первого сумматора, а также последовательно соединенные третий сумматор и второй накопитель, выход которого соединен со вторым входом первого делителя, входы третьего сумматора объединены с входом и выходом третьего блока памяти фильтра, выход третьего сумматора соединен со вторым входом первого умножителя. 4 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в когерентно-импульсных РЛС для обнаружения сигналов от движущихся целей на фоне пассивных помех с неизвестными корреляционными свойствами, а также и в системах управления воздушным движением и других областях радиоэлектроники.

Широко известен спектральный способ подавления пассивных помех, основанный на использовании различий в структурах спектров сигналов, отраженных от движущихся и неподвижных объектов [1]. Применение этого способа оправдано в системах непрерывного облучения.

Известен компенсационный способ подавления пассивных помех, основанный на сравнении в противофазе отраженных сигналов через промежуток времени, равный (кратный) периоду повторения импульсов [2]. Эффективность компенсационного способа высока и определяется числом блоков памяти (кратностью компенсатора), но не предельная.

Предложенный способ режекции пассивных помех основан на m канальном разложении вектора Н режекторного фильтра n-го порядка с целочисленными весовыми коэффициентами на канальные векторы Н₁, Н₂,...Н_m, на проекции которых h_i(m) наложено условие их целочисленности. Вектор Н представляется через канальные векторы по формуле

где Θ_i - дробные весовые коэффициенты, количество и величины которых определяются порядком режекторного фильтра и корреляционными свойствами помехи. Предложенный способ режекции пассивной помехи осуществляет практически предельное режектированис помехи.

Известно устройство [3] для режекции коррелированных помех, которое содержит адаптивный двухканальный режекторный фильтр (ДРФ) n-го порядка, состоящий из n блоков памяти, двух сумматоров, двух накопителей, делителя, умножителя и вычитателя. Выход вычитателя является выходом ДРФ, а вход первого блока памяти - входом фильтра.

Эффективность ДРФ-2 и ДРФ-3 в [3] предельная и равна эффективности оптимальных фильтров ОФ-2 и ОФ-3, оптимальные весовые коэффициенты которых получены на основе решения характеристических уравнений соответствующих матриц помехи. Анализ эффективности ДРФ при n≥4 показал, что потери в эффективности режекции помехи с ростом порядка n возрастают в сравнении с эффективностью ОФ. Эффективность режекции трех систем ЧПК, ДРФ и ОФ сведены в табл.1 [дБ], где ΔF_nT - нормированная ширина энергетического спектра помехи.

Анализируя потери режекции помехи фильтром ДРФ относительно ОФ следует вывод, что ДРФ до n<4 исчерпал свои потенциальные возможности. Это обусловлено недостаточностью одного весового дробного коэффициента Θ для формирования оптимального вектора ДРФ [3].

Техническая задача изобретения заключается в повышении эффективности режекции мешающих коррелированных отражений.

Технический результат достигается тем, что в предложенном способе подавления пассивных помех вычисляют m параллельных дискретных сверток канальными режекторными фильтрами с выборкой пассивной помехи, значения сверток накапливают каналами, запоминают и по ним вычисляют m-1 дробных весовых коэффициентов Θ путем деления накопленных остатков предыдущих m-1 каналов на остатки режекции последнего m-го канала. Производят операции вычитания “взвешенных” текущих остатков m-го канала с весовыми коэффициентами Θ из текущих остатков режекции m-1 каналов. С полученными остатками новых параллельных m-1 каналов аналогично производят операции накопления остатков режекции каналов, вычисление весовых коэффициентов Θ и вычитание “взвешенных” текущих остатков последнего m-1 канала с весовыми коэффициентами Θ из текущих остатков m-2 каналов. Количество операций - накопление остатков режекции новыми каналами, вычисление весовых коэффициентов Θ и вычитание “взвешенных” остатков режекции - определяется порядком m режекторного фильтра и продолжается до тех пор, пока величина m будет равна двум. Окончательно по накопленным остаткам режекции этих двух каналов вычисляется результирующий весовой коэффициент Θ, обеспечивающий выравнивание сверток последних каналов путем умножения одного из них на результирующий весовой коэффициент Θ, с последующим вычитанием их значений друг из друга.

Заявленный способ режекции пассивных помех обеспечивает вычисление квазиоптимального вектора режекторного фильтра n-го порядка без оценки корреляционной матрицы помехи размером n∗n и решения характеристического матричного уравнения. Кроме того, отыскание оптимального вектора весовых коэффициентов для оптимального фильтра с порядком n≥4 вызывает существенные вычислительные трудности.

Повышение эффективности режекции пассивной помехи ДРФ с порядком n≥4 достигается увеличением числа каналов m, т.е. структурным синтезом многоканальных режекторных фильтров (МРФ), потенциальные возможности которых по эффективности режекции помехи близки эффективности ОФ одинакового порядка.

Для примера на фиг.1а, б приведены структурные схемы фильтров с числом каналов m=3 и порядком РФ n=4, 5, а для фильтров с порядком n=6,7 необходимо иметь число каналов m=4. Структуры многоканальных фильтров МРФ-4 и МРФ-5 отличаются одним блоком памяти.

Многоканальный адаптивный режекторный фильтр пятого порядка (фиг.1б) содержит последовательно соединенные пять блоков памяти 1, первый сумматор 2, первый накопитель 3, первый делитель 4, первый умножитель 5 и второй сумматор 6, причем выход первого сумматора 2 соединен со вторым входом второго сумматора 6, остальные входы первого сумматора 2 соединены с соответствующими входами блоков памяти 1, а также последовательно соединенные третий сумматор 7 и второй накопитель 8, выход которого соединен со вторым входом первого делителя 4, входы третьего сумматора 7 объединены с входом и выходом третьего блока памяти 1 и выход третьего сумматора 7 соединен со вторым входом первого умножителя 5.

Для решения поставленной задачи, как повышение эффективности режекции пассивной помехи, введены последовательно соединенные четвертый сумматор 9, третий накопитель 10, второй делитель 11, второй умножитель 12, пятый сумматор 13, четвертый накопитель 14, третий делитель 15, третий умножитель 16 и шестой сумматор 17, а также пятый накопитель 18, выход которого соединен со вторым входом третьего делителя 15, входы второго, третьего, четвертого и пятого блоков памяти 1 соединены с входами четвертого сумматора 9, выход которого соединен со вторым входом пятого сумматора 13, выход пятого сумматора 13 соединен со вторым входом третьего умножителя 16, выход второго сумматора 6 соединен с входом пятого накопителя 18 и вторым входом шестого сумматора 17, выход третьего сумматора 7 соединен со вторым входом второго умножителя 12 и выход второго накопителя 8 соединен со вторым входом второго делителя 11. Выход шестого сумматора 17 является выходом фильтра, а вход первого блока памяти 1 - его входом.

При синтезе многоканальных режекторных фильтров возникает проблема разложения целочисленных весовых коэффициентов соответствующих устройств ЧПК-n на канальные весовые коэффициенты H_k. Этому разложению способствует анализ АЧХ и ФЧХ устройств ЧПК n-х порядков. Для примера на фиг.2, 3 приведены АЧХ и ФЧХ канальных фильтров ЧПК-4 и ЧПК-5, а в табл. 2 сведены канальные весовые коэффициенты, оптимизированные по критерию максимума подавления помехи.

В соответствии с весовыми канальными коэффициентами Табл.2 квазиоптимальный вектор обработки МРФ-4,5 определяется выражением

где Н_x, Н_у, H_z - векторы целочисленных весовых коэффициентов;

Θ₁, Θ₂, Θ₃ - весовые дробные коэффициенты.

Весовые дробные коэффициенты Θ₁, Θ₂ определяются при известной матрице помехи

где ρ_n[(i-j)T_n]=ρ(KT)=exp[(-π²/2.8)(ΔF_nT)²K²] - дискретная корреляционная функция пассивной помехи; h^x_i, h^y_i, h^z_i - весовые коэффициенты канальных фильтров.

Многоканальный адаптивный режекторный фильтр пятого порядка (фиг.1б) работает следующим образом. Первый канал фильтра содержит пять блоков памяти 1 и первый сумматор 2 и не является череспериодным компенсатором, остатки режекции которого накапливаются накопителем 3. Работа накопителей 3, 8, 10, 14, 18 и их структурные схемы приведены в [3]. Накопленные остатки режекции с выхода накопителя 3 поступают на первый вход первого делителя 4. Третий канал фильтра содержит третий блок памяти 1 и третий сумматор 7 и образуют череспериодный компенсатор ЧПК-1 (Т). Остатки режекции третьего канала поступают на второй накопитель 8, с выхода которого накопленные остатки режекции поступают на второй вход первого делителя 4. Накопленные остатки режекции первого канала делятся делителем 4 на накопленные остатки третьего канала и тем самым вычисляется дробный весовой коэффициент Θ_i, который поступает на первый вход первого умножителя 5, на второй вход которого с выхода третьего сумматора 7 поступают текущие значения остатков режекции третьего канала. Умножитель 5 выполняет операцию "взвешивания" остатков режекции третьего канала с весом Θ_i, которые поступают на первый вход второго сумматора 6 и вычитаются из текущих остатков режекции первого канала. Результаты вычитания сумматора 6 поступают на вход пятого накопителя 18 и второй вход шестого сумматора 17. Второй канал фильтра содержит второй, третий, четвертый и пятый блоки памяти 1 и четвертый сумматор 9, остатки режекции которого накапливаются третьим накопителем 10 и поступают на первый вход второго делителя 11, на второй вход которого поступают накопленные остатки третьего канала режекции с выхода второго накопителя 8. Результат деления остатков режекции второго канала на остатки режекции третьего канала делителем 11 есть величина второго дробного весового коэффициента Θ₂. Величина коэффициента Θ₂ поступает на первый вход второго умножителя 12, на второй вход которого поступает текущая выборка остатков режекции третьего канала, и с выхода умножителя 12 “взвешенная” выборка остатков режекции третьего канала с весом Θ₂ поступает на первый вход пятого сумматора 13 и вычитается из текущих остатков второго канала. Результат вычитания пятого сумматора 13 поступает на первый вход четвертого накопителя 14. Таким образом, сумматоры 13 и 6 являются выходами очередных каналов режекции помехи с весовыми коэффициентами, которые определяются выражениями

Остатки режекции с выходов сумматоров 6 и 13 поступают соответственно на накопители 18 и 14, выходы которых подключены к входам третьего делителя 15, результатом работы которого является величина весового дробного коэффициента Θ₃. Весовой коэффициент Θ₃ поступает на первый вход третьего умножителя 16, на второй вход которого поступает текущая выборка с входа пятого сумматора 13. “Взвешенная” выборка пятого сумматора 13 с весовым коэффициентом Θ₃ с выхода третьего умножителя 16 поступает на первый вход шестого сумматора 17, на второй вход которого поступает текущая выборка с выхода второго сумматора 6. Результатом работы шестого сумматора 17 является остатки режекции адаптивного многоканального режекторного фильтра МРФ-5. Результирующие оптимальные весовые коэффициенты вычисляются по выражению

Аналитически величина Θ₃ определяется по формуле

Оценка эффективности режекции пассивных помех МРФ производилась по коэффициенту подавления помехи (Кпп)

Результаты расчетов эффективности МРФ приведены в табл.3.

Анализ результатов эффективности режекции помехи многоканальным режекторным фильтром показал, что эффективность их практически равна эффективности теоретически оптимальных фильтров, которые в реальном масштабе времени нереализуемы.

Квазиоптимальные векторы МРФ-6,7 вычисляются по формулам

При этом минимально возможный порядок фильтра n_min связан с числом каналов m следующим выражением: n_min=2(m-1), а количество дробных адаптирующих коэффициентов Θ_к равно

Так, для m=3 величина К=2+1=3, а для m=4 величина К=3+2+1=6.

Таким образом, предложен класс высокоэффективных адаптивных многоканальных режекторных фильтров, работающих в реальном масштабе времени. Выигрыш МРФ в эффективности режекции помехи относительно систем ЧПК при n=4...6 составляет от 6 до 9 дБ, а выигрыш у систем типа ДРФ составляет от 1 до 4 дБ.

Литература

1. Г.М.Вишин. Селекция движущихся целей. - М.: Воен. Издат., 1966, с.71-80.

2. П.А.Бакулев, В.М.Степин. Методы и устройства селекции движущихся целей. - M.: Радио и связь, 1986, с.123-127, 153-156.

3. Патент №1808131 по заявке №4919323/09, опубл. Бюл. №13, 07.04.1993. Адаптивное устройство защиты от пассивных помех/П.А.Бакулев, В.И.Кошелев, В.А.Федоров, Н.Д.Шестаков.

Формула изобретения

Устройство подавления пассивных помех, содержащее последовательно соединенные пять блоков памяти, первый сумматор, первый накопитель, первый делитель, первый умножитель и второй сумматор, причем выход первого сумматора соединен со вторым входом второго сумматора, входы всех блоков памяти соединены с соответствующими входами первого сумматора, а также последовательно соединенные третий сумматор и второй накопитель, выход которого соединен со вторым входом первого делителя, входы третьего сумматора объединены с входом и выходом третьего блока памяти и выход третьего сумматора соединен со вторым входом первого умножителя, отличающееся тем, что введены последовательно соединенные четвертый сумматор, третий накопитель, второй делитель, второй умножитель, пятый сумматор, четвертый накопитель, третий делитель, третий умножитель и шестой сумматор, а также пятый накопитель, выход которого соединен со вторым входом третьего делителя, выходы первого, второго, третьего и четвертого блоков памяти соединены с соответствующими входами четвертого сумматора, выход которого соединен со вторым входом пятого сумматора, выход пятого сумматора соединен со вторым входом третьего умножителя, выход второго сумматора соединен с входом пятого накопителя и вторым входом шестого сумматора, выход третьего сумматора соединен со вторым входом второго умножителя и выход второго накопителя соединен со вторым входом второго делителя, входом и выходом устройства являются соответственно вход первого блока памяти и выход шестого сумматора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4