Исследование помехоустойчивости РЛС с квазинепрерывным режимом излучения и приема сигналов к воздействию пассивных помех

УДК 621.376.56

И. Н. Жукова

Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого

Статья получена 3 декабря 2014 г.

Аннотация. В работе производится оценка помехоустойчивости РЛС с квазинепрерывным режимом излучения и приема сигналов с псевдослучайным законом амплитудно-фазовой манипуляции. Анализируется отношение ''сигнал/(шум+помеха)'' в каналах обработки при действии пассивных помех, распределенных по задержке и доплеровскому сдвигу частоты.

Ключевые слова: радиолокационные системы, сложные сигналы, квазинепрерывный режим, пассивные помехи.

Abstract: In the paper radar system with quasicontinuous transmission and reception of signals are presented. Noise immunity is analyzed using wide-band signals with pseudorandom amplitude-phase keying. Signal-to-noise ratio in processing device channels is examined using passive interference, distributed along time and Doppler shift.

Key words: radar systems, wide-band signals, quasicontinuous mode, passive interference.

Введение

Помехоустойчивость РЛС к воздействию пассивных помех зависит от степени временного и частотного перекрытия сигналов, отраженных от объектов в зоне действия РЛС. Особо чувствительны к маскировке удаленных целей мощными мешающими отражениями РЛС с квазинепрерывным режимом излучения и приема сложных сигналов с псевдослучайным законом амплитудно-фазовой манипуляции (АФМ сигналов).

АФМ сигнал длительностью , состоящий из элементарных импульсов длительностью , излучается фазоманипулированными импульсами длительностью и имеет среднюю скважность . Количество излученных импульсов длительностью равно . Интервал следования фазоманипулированных импульсов определяется псевдослучайным законом изменения АФМ-огибающей и значительно меньше диапазона задержек обрабатываемых сигналов. Приём эхо-сигналов производится в паузах излучения и сопровождается энергетическими потерями. Часть энергии сигнала, поступающей в дальномерный корреляционный канал обработки, определяется коэффициентом приема , а степень временного перекрытия отраженных импульсов определяется коэффициентом наложения [1] .

Уровень помех, возникающих вследствие временного и частотного перекрытия отраженных АФМ сигналов, определяется величиной боковых лепестков их функции неопределенности , представленной на рис.1.

Рис. 1 Функция неопределенности АФМ сигнала

Функция неопределенности (ФН) АФМ сигнала имеет практически плоский «пьедестал» с уровнем , на фоне которого выделяются главный пик с уровнем и треугольной формы «гребень», локализованный по задержке и протяженный по частоте. Размер по задержке и степень возвышения «гребня» над «пьедесталом» зависят от средней скважности и длительности фазоманипулированных импульсов АФМ сигнала, . Поэтому помехоустойчивость при наличии пассивных помех зависит как от базы АФМ сигнала, так и от параметров и его огибающей.

Оценкой качества выделения полезного сигнала из аддитивной смеси с пассивными помехами и флюктуационным шумом является величина отношения ''сигнал/(шум+помеха)'' на выходе устройства корреляционной обработки.

Целью настоящей работы является исследование отношения ''сигнал/(шум+помеха)'' на выходе корреляционного обнаружителя в зависимости от параметров АФМ сигнала.

2. Модель оценки отношения ''сигнал/(шум+помеха)''

Обнаружение АФМ сигнала ведется многоканальным по задержке , и доплеровской частоте , корреляционным устройством.

Пусть на входе устройства обработки присутствует аддитивная смесь полезного сигнала мощностью , сигнала пассивных помех общей мощностью , отраженного от бессчетного множества точечных отражателей земной поверхности, и шума мощностью в полосе сигнала.

Мощность определяется дальностью и ЭПР объекта. Будем полагать, что задержка и доплеровский сдвиг частоты полезного сигнала совпадают с параметрами настройки -ого канала обработки.

Плотность распределения общей мощности пассивных помех по задержке и доплеровскому сдвигу частоты описывается функцией . При аппроксимации ДНА в виде сферы, соответствующей ее боковым лепесткам, и конуса, совпадающего по ширине и направлению с главным лучом, рельеф функции с наложением мощностей четырех полезных сигналов имеет, согласно [2], вид, представленный на рис. 2. Форма соответствует движению носителя с постоянной путевой скоростью на некоторой высоте параллельно плоскости ровной, однородной земной поверхности. Следует отметить, что протяженность по задержке определяется разностью , где и - задержки сигналов, соответствующие высоте расположения носителя и дальности до радиогоризонта. В отсутствии флюктуаций отражений протяженность по доплеровскому сдвигу частоты определяется величиной , - максимальный доплеровский сдвиг отражений, зависящий от скорости носителя.

Рис. 2 Функция распределения мощности пассивных помех по задержке и частоте

При дискретном наблюдении с интервалом выборки отношение ''сигнал/(шум+помеха)'' на выходе - го канала обработки представляется, согласно [3], выражением

(1)

где - мощность отражений с -ым доплеровским сдвигом частоты и задержкой из диапазона , ; - значение ФН АФМ сигнала при относительных сдвигах по задержке и доплеровской частоте, равных соответственно и .

3. Оценка изменения отношения ''сигнал/(шум+помеха)'' в каналах обработки

При ограниченной по сравнению с частотно-временными параметрами сигнала протяженности функции значение зависит от вида модуляции широкополосного сигнала, а, следовательно, от формы его ФН. Уровни, аппроксимирующие рельеф ФН АФМ сигналов при квазинепрерывном режиме их излучения и приема, позволяют оценить изменение по каналам обработки для заданной функции . Определяющее значение имеет «принадлежность» параметров полезного сигнала, на обнаружение которого настроен -ый канал обработки, одной из характерных областей распределения помех на плоскости :

- области, свободной от пассивных помех, или (например, на рис.2 полезные сигналы 1 и 3 с параметрами и соответственно);

- области отражений по главному лучу ДНА (сигнал 4 с параметрами , рис.2);

- области отражений по боковым лепесткам ДНА, в которой особо выделяется область отражений повышенной интенсивности (область высотных отражений), расположенная непосредственно под носителем (сигнал 2 с параметрами , рис.2).

Если -ый канал обработки настроен на обнаружение сигнала с задержкой, отличной от области распределения помех по времени (например, обнаружение сигнала 1, ), то полезный сигнал маскируется пропорционально уровню боковых лепестков только «пьедестала» ФН, и отношение ''сигнал/(шум+помеха)'' оценивается выражением

, (2)

где - отношение ''сигнал/шум'' при квазинепрерывном режиме излучения и приема АФМ сигналов; - отношение ''помеха/шум'' на входе обработки; - общая мощность отражений от подстилающей поверхности.

В отсутствие помех, , повышение отношения ''сигнал/шум'' можно достигнуть как путем увеличения пиковой мощности излучения, так и увеличением длительности сигнала.

При мощность пассивных помех на выходе устройства обработки сопоставима с мощностью собственных шумов, и отношение ''сигнал/(шум+помеха)'' снижается в два раза по сравнению с обнаружением в шумах.

При мощности излучения, значительно превышающей мощность шума, справедливо неравенство , и при заданном времени когерентного накопления не превышает в каналах обработки значения

(3)

Увеличение средней скважности зондирующего сигнала позволяет снизить потери на обнаружение в условиях помех, рис. 3,а, и повысить максимально возможный уровень отношения ''сигнал/помеха'' . Одновременно с этим энергия зондирующего сигнала фиксированной длительности снижается, а коэффициент приема, рис. 3,б, увеличивается.

Рис. 3

С увеличением значение повышается. Поэтому увеличение длительности сигнала, а вместе с этим и его базы, является эффективным средством повышения вероятности правильного обнаружения в условиях действия помех. Увеличение разрешения по задержке при сохранении времени когерентного накопления также приводит к повышению помехоустойчивости.

Протяженный по доплеровскому сдвигу частоты «гребень» с повышенным уровнем боковых лепестков ФН АФМ сигнала, приводит к ухудшению по сравнению с значений во всех каналах обработки, для которых . Мощность помех в частотных каналах, для которых (например, обнаружение сигнала 3, рис. 2), увеличивается на величину

, (4)

где - суммарная мощность отражений с задержкой из диапазона .

Если в окрестности -го дальномерного канала в диапазоне задержек действуют помехи одинаковой интенсивности суммарной мощностью , то увеличение мощности помех за счет повышенного уровня боковых лепестков ФН можно приближенно оценить величиной

(5)

Среднее значение отношения ''сигнал/помеха'' в -ом дальномерном канале становится равным

(6)

Если мощность помех в полосе задержек составляет часть от общей мощности отражений , то отношение ''сигнал/помеха'' снизится в 2 раза по отношению к максимально возможному значению.

Если в смеси отражений присутствует компонента с параметрами опорного сигнала -го канала обработки (обнаружение сигналов 2 и 4, см. рис. 2), то отношение ''сигнал/(шум+помеха)'' оценивается выражением

, (7)

где - мощность отражений от участка поверхности в диапазоне задержек и доплеровских сдвигов частоты .

Степень дополнительного снижения отношения ''сигнал/(шум+помеха)'' при совпадении параметров полезного сигнала с областью действия помех зависит от соотношения и мощности помех в полосе задержек .

При именно отношение ЭПР -ого участка поверхности и объекта с информационными параметрами эхо-сигнала, равными , определяет величину .

При и , что соответствует превышению в раз мощности отражений от -го участка поверхности над суммарной мощностью помех в полосе задержек , значение отношения ''сигнал/(шум+помеха)'' снижается не менее чем в 3 раза по сравнению с максимально возможным значением при заданной пиковой мощности.

Подчеркнем, что в присутствии пассивных помех линейная зависимость от исчезает.

4. Анализ изменения отношения ''сигнал/(шум+помеха)'' по каналам обработки

Имитационное моделирование подтвердило числовые оценки помехоустойчивости РЛС с квазинепрерывным режимом излучения и приема АФМ сигналов к воздействию пассивных помех.

Мощность отраженного от обнаруживаемого объекта полезного сигнала снижается при его удалении от носителя. График изменения по задержке приведен на рис. 4,а. При постоянстве мощности пассивных помех это приводит к снижению по дистанции величины , рис. 4,в и 4,г.

а)

б)

в)

г)

Рис. 4

Изменению по задержке мощности пассивных помех и мощности помех с доплеровской частотой отражений по главному лучу ДНА, см. рис. 4,а, соответствует изменение мощности помех в полосе задержек , отображенное на рис. 4,б. Диапазон превышения уровня показывает диапазон снижения отношения ''сигнал/(шум+ помеха)'', представленный для и на рис. 4,в.

Характер изменения по задержке отношения ''сигнал/(шум+помеха)'' в частотных каналах, соответствующих области отражений по главному лучу ДНА, , представлен на рисунке 4,г. В ближних дальномерных каналах, соответствующих отражениям по боковым лепесткам ДНА, значение практически не отличается от . При достижении по задержке области отражений по главному лепестку ДНА наблюдается резкое снижение , которое постепенно сокращается по мере снижения .

Увеличение базы зондирующего сигнала в условиях одной и той же помеховой обстановки, , приводит к пропорциональному снижению размера разрешаемого участка поверхности и уменьшению интенсивности отраженного от него сигнала . В результате достоверность обнаружения точечного объекта повышается.

5. Выводы

Анализ изменения мощности помех в каналах обработки в зависимости от уровня боковых лепестков ФН позволил получить простые математические выражения отношения ''сигнал/(шум+помеха)'', позволяющие оценить помехоустойчивость РЛС с квазинепрерывным режимом излучения и приема АФМ сигналов.

Проведенные исследования позволяют утверждать, что определяющее влияние на достоверность обнаружения оказывают помехи, маскирующие полезный сигнал по боковым лепесткам «пьедестала» ФН АФМ сигналов. Наличие мощных помех с задержкой, отличающейся от задержки полезного сигнала не более чем на , только ухудшает характеристики обнаружения.

Оптимизация параметров и при заданной базе АФМ сигнала позволяет повысить достоверность обнаружения сигналов при воздействии пассивных помех.

6. Благодарности

Автор выражает признательность д.т.н., заведующему кафедрой радиосистем НовГУ Быстрову Николаю Егоровичу за поддержку и научное руководство.

Литература

1. Гантмахер В. Е., Быстров Н. Е., Чеботарев Д. В. Шумоподобные сигналы. Анализ, синтез, обработка. СПб.: Наука и техника, 2005. 400 с.

2. Дудник П.И. Многофункциональные радиолокационные системы: учеб. пособие для вузов/ П.И.Дудник, А.Р. Ильчук, Б.Г. Татарский; под ред. Б.Г.Татарского. М.: Дрофа, 2007. 283 с.

3. Слока В.К. Вопросы обработки радиолокационных сигналов. М.: Сов. радио, 1970. 256 с.