Разработка автоматического устройства первичной обработки РЛИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Обоснование варианта схемы устройства первичной обработки

В УПО КСА аналоговый сигнал с  выхода приемного устройства РЛС  преобразуется в цифровую форму  путем выполнения операций дискретизации  по времени и квантования по уровню.  Эти операции именуются квантованием,  а реализующие их технические  устройства – квантизаторами радиолокационных сигналов.

В   результате  дискретизации    по времени и квантования по уровню :

• вся зона обнаружения РЛС разбивается  на элементарные участки по азимуту и дальности, каждый из которых «заполнен» двоично-квантованными сигналами (ДКС), условно обозначаемыми «1» и «0» в зависимости от превышения (пересечения) порога Х₀.
• так как дальность цели за время её пребывания в  диаграмме направленности антенны РЛС практически не меняется, то отраженные от неё сигналы будут находиться в одном кольце дальности, занимая N позиций (смежных элементарных участков) на азимутальной оси b.
• соответственно, задача обнаружения цели и оценки её координат решается в пределах каждого кольца дальности  по пачке ДКС, а устройство первичной обработки должно иметь на каждое кольцо дальности отдельные обнаружитель и измеритель координат,что приводит к значительному усложнению и удорожанию автоматических УПО и одновременному снижению их надёжности.

Учитывая эти факторы целесообразно использовать обработку без дискретизации по времени.

 

 

 

 

 

2.1.Обработка сигналов без дискретизации по времени

Обработка сигналов в УПО КСА (РЛС) РТВ имеет  циклический характер.

Длительность  цикла обработки определяется периодом зондирования в РЛС (интервалов времени между ИЗ РЛС и ИКД). При этом импульсы конца дистанции делят поток поступающих сигналов на массивы (группы), соответствующие отдельным зондированиям(циклам обработки). За время одного цикла обрабатывается весь массив входных сигналов, поступающих от сопряженных РЛС в течении данного периода зондирования.

При обнаружении  нового сигнала на i-ом зондировании фиксируются коды β_i , t_i и t_i, а также образуется канал обнаружения нового ВО. По результатам следующих зондирований решается задача обнаружения пакета, и вычисляются координаты ВО. Для решения этой задачи используется принцип безвесовой обработки сигналов k/m-l. Иными словами, в процессе обнаружения реализуется алгоритм цифрового накопления, в соответствии с которым решение об обнаружении воздушного объекта принимается при накоплении заданного числа N₀ импульсов в пределах от начальной до конечной позиции пачки. Конец пачки фиксируется по серии l пропусков подряд.

Информация  от РЛС поступает на обработку  в реальном масштабе времени. Обработка выполняется в два этапа. На первом этапе в реальном масштабе времени выполняются операции квантования сигналов и их кодирование. На втором этапе в квазиреальном масштабе времени (т.е. когда время обработки одного сигнала не определено, но среднее время обработки всей совокупности сигналов, полученных на зондировании, не превышает времени одного периода ИЗ РЛС) выполняется обработка квантованных сигналов.

Рис.2.1. Универсальная схема  ЦВМ  ПОИ  (УПО)  КСА  (РЛС)  РТВ

 

Важно отметить, что автоматическая первичная обработка  сигналов осуществляется в разрешенных  областях воздушного пространства, в  которых отсутствуют помехи.

В процессе функционирования УПО КСА (РЛС) РТВ  в блоке амплитудного квантования  на основе заданного в кодограмме УЗ-А формируются нормированные  по амплитуде эхо-сигналы Э-А. После  селекции по разрешенным зонам квантованные сигналы  Э-А кодируются по азимуту, времени задержки, длительности. Полученные коды записываются в БЗУ в порядке их поступления. В последующем выбор кодов β_i, t_i и τ_i также упорядочен по времени, т.е. осуществляется по мере увеличения  времени задержки t_i сигналов.

В арифметическом устройстве  для  формирования пачек на каждом цикле  обработки коды сигналов текущего зондирования, проступающие с БЗУ, сопоставляются с кодами сигналов предыдущих зондирований, хранящимися в ОЗУ. Результаты сравнения  квантованных сигналов записываются в  ОЗУ УПО в свернутом виде однословным  сообщением.

Конкретизируя изложенное, отметим, что при совпадении (наличии общей зоны перекрытия) сигналов текущего и предыдущего  зондирований в ОЗУ ЦВМ ПОИ:

• записываются коды азимута β_j, времени задержки t_j и длительности t_j общей зоны перекрытия (совпадения) сигналов;
• фиксируется число совпадений сигналов N_j, т. е. число позиций на которых выполняется условие продолжения пачки.
• запоминается  l-разрядный позиционный код l_j, используемый для анализа пачки на удовлетворение логики конца (сброса) пачки по l  пропускам подряд. Обновление кода l_j производится по принципу записи информации  в регистр L _j  со сдвигом. 

В данном разделе был рассмотрен алгоритм обработки эхо-сигналов. В ходе рассмотрения этого вопроса было определено решение  задач автоматического обнаружения  цели и определение ее координат  с помощью квантования радиолокационных сигналов без дискретизации по времени.

3.Синтез алгоритма функционирования устройства первичной обработки

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

                                         ,                                                       (3.1)

где  m – число зондирований;

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

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 m смежных позициях и сравнении полученной суммы с порогом

.                  (3.2)

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. 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 X₀ устанавливается исходя из условий оптимальности.

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

3.1.Выбор  структурной схемы алгоритма функционирования автоматического обнаружителя целей и ее описание

Алгоритм  достаточно просто реализуется в  технике. Функциональная схема решающего устройства для м = 3 представлена на рис. 3.1. 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».

 

Рис. 3.1. Функциональная  схема устройства обнаружения

 

Структура обнаружителей бинарно-квантованных сигналов может быть реализована следующим образом (рис. 3.2)

 

 

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

,           (3.3)

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

.        (3.4)

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

3.2.Расчет  параметров схемы и определение  порога квантования

 

Число импульсов в ожидаемой  пачке отраженного сигнала:

 

 

Уровень порога для цифрового  компаратора (округляется в сторону  увеличения):

 

Оценка эффективности цифрового  накопителя:

• Энергетическое отношение сигнал/шум в импульсе (пороговый сигнал):

,

где - энергия импульса;

- спектральная  плотность шума;

 

 – интеграл  вероятностей

 

Подставляем:

 

 

 

     

 

В данном разделе рассмотрен алгоритм автоматического  обнаружителя целей. На его основе была разработана структурная схема  данного алгоритма и рассчитаны ее основные параметры.

 

4.Описание  структурных схем автоматических измерителей дальности и азимута

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

Общее количество таких зон составляет:

        (4.1)

4.1.Измерение  дальности

На сегодняшний  день используют три метода измерения  дальности:

• Импульсный (основывается на определении времени запаздывания характерного изменения амплитуды принимаемого радиолокационного сигнала)
• Частотный (основан на использовании частотной модуляции излучаемых непрерывных сигналов)
• Фазовый (основан на измерении разности фаз излученных и принятых радиосигналов)

 

 

Частотный метод определения дальности  основан на использовании частотной  модуляции излучаемых непрерывных  колебаний; время запаздывания определяется путём измерения разности частот излучённых колебаний и отражённого  сигнала. Для применения данного метода необходимо использование двух антенн, что ухудшит чувствительность приема впоследствии попадания в приемный тракт излучения передатчика.

Фазовый метод основан на измерении  разности фаз излучённых синусоидальных колебаний и принятых радиосигналов. Генератор создаёт незатухающие колебания частоты w₀, излучаемые в пространство. Фаза излучённых колебаний

,

где y₁ – начальное значение фазы.

Фаза принимаемого сигнала

.

Здесь y_отр – фазовый сдвиг, связанный с отражением радиоволны от цели;         

y_РЛС – фазовый сдвиг в цепях РЛС, который можно считать известным, так как он поддаётся измерению и может быть учтён.

Данный метод измерения практически  не используют по двум обстоятельствам. Во–первых, очень мал диапазон однозначного измерения и, во–вторых, в формулу входит неизвестная величина y_отр. Неоднозначность измерений определяется тем, что фазометрическое устройство позволяет определять фазовые сдвиги только в пределах от 0 до 2p.

В силу недостатков  двух предыдущих методов целесообразней использовать импульсный метод измерения  дальности, сущность которого заключается  в заполнении измеряемого интервала времени импульсами N_D эталонной частоты f_э и последующем их подсчете.