Режим селекции движущихся целей
Алгоритмы селекции движущихся целей
Под режимом селекции движущихся целей (СДЦ) в РСА обычно понимают обнаружение сигналов движущихся сосредоточенных целей путем подавления сигналов всех других неподвижных целей и фона местности. При этом цепью называют заданный для обнаружения объект, т.е. объект нашего интереса.
обнаружение только движущихся с радиальной скоростью объектов при подавлении сигналов всех других объектов и фона местности;
обнаружение только движущихся объектов с измерением их координат (дальность-азимут) и радиальных скоростей;
обнаружение только движущихся объектов с измерением их координат и векторов скорости (радиальной и тангенциальной);
обнаружение одновременно движущихся и неподвижных объектов с измерением их координат и векторов скорости с индикацией на фоне радиолокационного изображения (РЛИ) земной поверхности.
Для обеспечения решения задачи обнаружения движущихся объектов используются специальные алгоритмы и устройства их реализации. Алгоритмы селекции основаны на различиях пространственно-временных характеристик сигналов, отраженных от движущихся и неподвижных объектов. Для их реализации при решении полной задачи необходима антенная система (или интерферометр) с многими фазовыми центрами, разнесенными по линии пути носителя РСА, и многоканальная частотно-временная обработка траекторных сигналов.
Синтез и реализация оптимальных алгоритмов представляет весьма сложную задачу, и в большинстве случаев используют различные квазиоптимальные способы обработки сигналов. Обычно пространственная обработка обеспечивает подавление мешающих отражений (неподвижных объектов и фона) путем формирования провалов («нулей») ДН антенны в направлении на помеху. Временная обработка обеспечивает доплеровскую фильтрацию сигналов для разделения спектров сигналов движущихся целей и мешающих отражений, а также выделения сигналов на фоне шумов. При этом используются более простые антенные системы: моноимпульсные, двухканальные интерферометры и даже антенны с однолучевой ДН.
При совпадении доплеровских частот движущейся
Оптимальная система обработки, подавляя фон и выделяя сигнал движущейся цели, обеспечивает
максимальное отношение сигнал/фон при минимальной радиальной скорости цели. Так как в одном элементе дальности может быть несколько движущихся целей, оптимальная система должна быть многоканальной не только по доплеровской частоте, но и по азимуту.
Принцип действия системы селекции движущихся целей (СДЦ) РЛС 1РЛ134Ш (П-19)
В РЛС применен когерентно-импульсный метод СДЦ. Этот метод основан на различии в характеристиках сигналов, отраженных от пассивной помехи, которая неподвижна или малоподвижна, и от быстролетящих целей. Фаза сигналов, отраженных от подвижных целей, меняется от одного периода повторения к другому. За время между двумя излученными импульсами цель переместится на расстояние:
,
где: Vr— радиальная составляющая скорости,
Запаздывание последующего сигнала относительно предыдущего
будет:
,
В соответствии с этим будет меняться и разность фаз между эхо-сигналами смежных периодов повторения и опорным колебанием по закону:
,
где: f0 несущая частота излучения
Если рассмотреть в нескольких периодах повторения начальные фазы импульсов, отраженных от движущейся цели, то их значение будет изменяться по определенному закону в виде синусоиды, частота которой называется частотой Доплера и определяется выражением:
Сигналы, отраженные от неподвижного образования, изменения фаз не имеют, так как Vr = 0.
Таким образом, при отражении сигналов от неподвижных объектов фаза принимаемых сигналов неизменна от периода к периоду повторения зондирующих импульсов, а при отражении сигналов от подвижных объектов фаза принимаемых сигналов будет меняться от периода к периоду.
Анализ начальных фаз принятых сигналов производится методом сравнения этих сигналов с опорным гетеродинным напряжением на фазовом детекторе.
В результате детектирования сигналов на выходе фазового детектора появляются видеоимпульсы, величина которых для подвижных объектов изменяется от периода к периоду по закону Доплера (рис. 6.1, а) и постоянна по величине и знаку для неподвижных целей и пассивных помех (рис. 6.1, б).
При непрерывном излучении доплеровская частота пропорциональна радиальной скорости цели (рис.6.2, а). В импульсном режиме работы РЛС эхо-сигналы наблюдаются прерывисто. При этом в силу стробоскопического эффекта зависимость 
сигнала линейно возрастает, затем линейно уменьшается до нуля, потом снова линейно возрастает и убывает (рис. 6.2, б). Радиальные скорости ( 
и т.д.), при которых 
, называются «слепыми» скоростями. При «слепых» скоростях за время одного периода фаза сигнала от цели меняется ровно на 
, 
и т.д.
Значение слепых скоростей можно определить по формуле
,
где 
– номер слепой скорости; 
– частота повторения импульсов; 
– скорость распространения электромагнитной энергии; 
– генерируемая частота.
Как видно из формулы, для борьбы со «слепыми» скоростями необходимо изменять либо частоту зондирующего импульса, либо частоту повторения зондирующих импульсов.
В РЛС 1РЛ134Ш (П-19) для борьбы со слепыми скоростями в когерентном режиме работы применен метод вобуляции (изменения) частоты следования зондирующих сигналов (500 и 600 Гц).
С выхода фазового детектора сигнал поступает на устройство череспериодной компенсации, выполненное на ультразвуковых линиях задержки и вычитающих устройствах.
Устройство ЧПК позволяет снять с экранов индикаторов сигналы, амплитуда которых на выходе когерентно-импульсного устройства постоянна (сигналы от местных предметов и пассивных помех). На экранах остаются лишь сигналы, амплитуда которых изменяется от периода к периоду, т.е. сигналы от движущихся целей.
Сущность череспериодной компенсации заключается в том, что сигналы, пришедшие в данный период повторения (рис. 6.3. а, г), задерживаются на период следования (рис. 6.3. б, д) и вычитаются из сигналов, приходящих в следующий период. При этом по величине сигналы с постоянной амплитудой компенсируются (рис. 6.3. в), а сигналы с переменной амплитудой дают результирующий сигнал, равный изменению амплитуды импульса за период повторения станции (рис. 6.3. е).
В РЛС 1РЛ134Ш (П-19) применена схема с двойной ЧПК. Достоинством такой схемы является уменьшение остатков от местных предметов и, как следствие этого, увеличение динамического диапазона на выходе приемного устройства в режиме К.
После прохождения принятых станцией сигналов через фазовый детектор и вычитающее устройство на экране индикатора наблюдаются только отметки от подвижных целей.
Система сдц рлс что это
Доплеровские методы СДЦ основаны на различии доплеровских смещений частоты выделяемого полезного сигнала цели и пассивных помех, обусловленном отличием радиальных скоростей цели и мешающих отражателей. Для простоты можно считать мешающие отражатели неподвижными. Тогда лишь радиальная скорость цели 
определяет доплеровское смещение частоты сигнала относительно помехи:
где 
и 
— частота и длина волны излучаемых РЛС колебаний.
Для выделения доплеровского смещения 
частота принимаемого сигнала сравнивается с частотой излучаемого. Наиболее просто это сделать в РЛС непрерывного излучения, в которых излучаемый сигнал существует и во время приема отраженных сигналов. Однако наибольшее практическое применение находят периодические импульсные зондирующие сигналы, которые обеспечивают высокую разрешающую способность и точность при измерении дальности. Эффективная селекция движущихся целей осуществляется в импульсных системах как при отсутствии внутриимпульсной модуляции несущей, так и при использовании частотной или фазокодовой модуляции несущей. Как будет показано, применение периодических сигналов в системах СДЦ приводит к появлению слепых скоростей, т. е. таких радиальных скоростей цели, при которых полезный сигнал цели подавляется системой, как и отражение от неподвижных объектов, в результате чего цель не может быть обнаружена.
Для устранения слепых скоростей разработаны различные способы и, в частности,вобуляция (изменение) частоты повторения или работа на двух несущих частотах. В импульсных РЛС высокочастотные колебания излучаются в течение длительности зондирующего импульса 
. Всю остальную часть периода повторения 
они отсутствуют и опорные колебания (когерентные с излучаемыми), необходимые для выявления доплеровского приращения частоты принимаемых отраженных импульсов, создаются в системах СДЦ специально. Такие системы называют когерентно-импульсными системами СДЦ с внутренней когерентностью. В системах СДЦ с внешней когерентностью в качестве опорных используют высокочастотные колебания сигналов, отраженных от неподвижных отражателей, расположенных в пределах разрешаемого объема, в котором находится и движущаяся цель.
Системы СДЦ с внутренней и внешней когерентностью имеют свои достоинства и недостатки, определяющие и области их применения. Построение и эффективность системы СДЦ обоих типов будут рассмотрены в дальнейшем.
Спектр импульсного сигнала, отраженного неподвижным объектом, совпадает со спектром зондирующего импульса. Спектр импульсного сигнала, отраженного от движущегося объекта (рис. 12.1), сжимается при удалении объекта или растягивается при его приближении, так как все частоты спектра импульса изменяются в 
раз. Это означает, что отраженные от движущейся цели импульсы имеют несущую частоту 
, частоту повторения 
и длительность 
Для выделения сигналов движущейся цели можно использовать изменение любого из этих параметров. Однако практически реализуемо только смещение центральной частоты, а точнее, изменение фазы высокочастотного заполнения импульсов за период повторения 
, так как из-за малости абсолютного изменения частоты повторения 
или длительности импульсов 
выявить. их трудно.
Когерентно-импульсные системы СДЦ с внутренней когерентностью. Системы СДЦ с внутренней когерентностью различают по способу формирования когерентных опорных колебаний во время приема отраженных радиосигналов.
В РЛС, имеющих передающее устройство с независимым возбуждением, высокочастотные колебания задающего генератора, работающего непрерывно, используются в качестве опорных непосредственно или после умножения до частоты, на которой происходит сравнение с частотой принимаемых сигналов (рис. 12.2, а).
При применении в передающем устройстве генератора высокой частоты с самовозбуждением в качестве источника когерентных опорных колебаний служит специальный генератор, фазируемый колебаниями генератора передатчика в течение длительности импульса 
. Такой генератор называют когерентным гетеродином. Когерентный гетеродин работает на частоте сравнения, на которой происходит выделение доплеровского смещения частоты принимаемых сигналов. Чаще всего частотой сравнения является промежуточная частота приемника 
. Такая схема (рис. 12.2, б) получила широкое распространение, поэтому на ее работе следует остановиться подробнее.
Напряжение колебаний, генерируемых генератором высокой частоты, для любого периода повторения
Напряжение сигнала, отраженного неподвижным объектом,
Для движущейся цели (при той же дальности и ЭПР) напряжение сигнала
где 
— частота излучаемых колебаний; 
— доплеровское смещение частоты; 
— временная задержка сигнала, отраженного объектом, расположенным на дальности 
— начальная фаза излучаемых колебаний; 
— изменение фазы при отражении.
В результате смешения колебаний отраженных сигналов с колебаниями местного стабильного гетеродина в смесителе сигнала осуществляется переход на промежуточную частоту 
, на которой работает и когерентный гетеродин. Для фазирования когерентного гетеродина частота колебаний генератора высокой частоты предварительно понижается с 
смесителя фазирования до промежуточной 
. Напряжение на выходе когерентного гетеродина 
. Для улучшения фазирования колебания когерентного гетеродина прерываются схемой управления незадолго до очередного импульса генератора высокой частоты и возобновляются после установления колебаний генератора. Время работы когерентного гетеродина в каждом периоде повторения должно превышать время запаздывания 
, соответствующее максимальной дальности действия РЛС в режиме СДЦ.
Напряжение когерентного гетеродина служит опорным в когерентном (фазовом или синхронном) детекторе отраженных сигналов.
Если при фазировании когерентного гетеродина разность фаз когерентного гетеродина и фазирующих колебаний 
(параметр фазирования) сохраняется от импульса к импульсу постоянной, то амплитуда импульсов сигнала после детектора от неподвижных объектов будет постоянной, что и является определенным признаком при распознавании движущихся и неподвижных целей.
При наблюдении целей на экране индикатора с линейной разверткой амплитуда сигнальных видеоимпульсов движущейся цели меняется с частотой доплеровского смещения, отметка цели на экране симметрична относительно линии развертки и заштрихована вследствие изменения амплитуды, в то время как отметка неподвижного объекта является односторонней и имеет постоянную амплитуду.
В современных РЛС индикаторы с линейной разверткой используют редко, поэтому сигналы неподвижных объектов предварительно подавляются в специальном компенсирующем устройстве, построенном, например, по принципу вычитания очередного импульса на выходе когерентного детектора из предшествующего.
При идеальном подавлении остаются только сигналы движущихся целей, которые затем воспроизводятся на экране индикатора с яркостной модуляцией луча (например, ИКО) или подвергаются дальнейшей обработке с целью извлечения необходимой информации о цели (дальность, скорость и угловые координаты).
Когерентно-импульсные системы СДЦ с внешней когерентностью. Использование в системах СДЦ с внешней когерентностью в качестве опорных колебаний отраженных сигналов неподвижных отражающих объектов, находящихся в том же разрешающем элементе, что и движущаяся цель, было бы идеальным решением задачи СДЦ, особенно при наличии собственной скорости РЛС, которую в системах с внутренней когерентностью приходится специально компенсировать соответствующим смещением частоты когерентного гетеродина, что не так просто при изменениях собственной скорости и направления на объект.
Однако колебания, отраженные от множества неподвижных отражателей (напрнмер, от земной поверхности), называемых фоновыми, флуктуируют по амплитуде, частоте и фазе. Поэтому эффективность системы СДЦ с внешней когерентностью обычно ниже, чем с внутренней. В результате биений сигнала движущейся цели с отражениями от фона амлитуда сигнальных импульсов на выходе детектора изменяется с доплеровской частотой, что и используется для выделения движущейся цели (точно так же, как и в системе с внутренней когерентностью) непосредственно на экране индикатора с линейной разверткой или с помощью компенсирующего устройства.
Следует заметить, что в системах СДЦ с внешней когерентностью отсутствие фона, т. е. опорных колебаний, может привести к потере сигнала движущейся цели, если не принято надлежащих мер, например автоматического отключения устройства СДЦ.
ЗСУ-23-4 «Шилка»
Военная кафедра Казахского национального университета имени аль-Фараби
9. Приемная система РЛС 1РЛ33
1. Назначение, состав и характеристики приемной системы
Приемная система предназначена для преобразования и усиления отраженных от цели сигналов до величины, обеспечивающей нормальную работу других систем РЛС.
Функционально приемная система состоит из подсистем (рис. 1):
— канал дальности (КД);
— канал угловой автоматики (КУА);
— канал автоматической подстройки частоты (АПЧ).
Рис. 1. Функциональная схема приемной системы
Во входные устройства входят:
— местный гетеродин с механизмом перестройки;
— предварительный усилитель промежуточной частоты (ПУПЧ).
Канал дальности состоит из:
— УПЧ канала дальности;
В канал угловой автоматики входят:
— УПЧ канала угловой автоматики;
Канал АПЧ состоит из:
— смесителя АПЧ и фазирующего импульса;
— усилителя импульсов канала АПЧ.
2. Устройство и размещение элементов приемной системы
Узлы и блоки приемной системы размещаются в башне ЗСУ:
— смеситель сигнала – размещен в блоке Т-7, который находится в шкафу Т-44 (сзади оператора поиска-наводчика);
— смеситель АПЧ и фазирующего импульса – в блоке Т-7;
— местный гетеродин с механизмом перестройки Т-4Р – в блоке Т-7;
3. Работа приемной системы
В смесителе высокая частота отраженных от цели сигналов понижается до промежуточной частоты, на которой осуществляется основное усиление сигналов в РЛС. Работа смесителя подробно была рассмотрена в теме 5 курса «Принципы построения зенитных комплексов».
С выхода смесителя сигналы от цели на промежуточной частоте поступают на предварительный УПЧ, который осуществляет их усиление.
С выхода ПУПЧ сигналы поступают в канал дальности и канал угловой автоматики.
В канале дальности на УПЧ сигналы усиливаются до требуемого уровня, в амплитудно-фазовом детекторе преобразовываются в видеоимпульсы. Работа амплитудно-фазового детектора также была рассмотрена в теме 5 курса «Принципы построения зенитных комплексов».
В амплитудном режиме работает амплитудный детектор. После него сигналы усиливаются в усилителе импульсов канала дальности и поступают в систему измерения дальности.
В режиме СДЦ работает фазовый детектор, на который в качестве опорного подается напряжение с когерентного гетеродина (КГ). Фаза этого напряжения «привязана» к фазе зондирующего импульса. Для этого используется фазирующий импульс, который поступает на КГ с УПЧ АПЧ. С помощью ручки ЧАСТОТА КОМПЕНСАЦИИ производится изменение фазы колебаний КГ в небольших пределах для компенсации скорости движения пассивных помех (скорости ветра).
С фазового детектора сигналы поступают в усилитель импульсов канала дальности и далее в систему СДЦ.
Канал угловой автоматики работает только при автоматическом сопровождении цели. В КУА сигналы усиливаются на УПЧ, в детекторе преобразовываются в видеоимпульсы и усиливаются в усилителе импульсов. На детекторе огибающей происходит выделение огибающей видеосигналов сопровождаемой цели, которая является напряжением сигнала ошибки. С выхода детектора огибающей сигналы поступают в систему управления антенной.
На смеситель АПЧ и фазирующего импульса поступает напряжение от местного гетеродина и импульсы от магнетрона. С выхода смесителя импульсы промежуточной частоты усиливаются в УПЧ АПЧ и поступают в частотный дискриминатор.
Дискриминатор точно настроен на промежуточную частоту 60 мгц. Если на вход дискриминатора поступает сигнал частотой ровно 60 мгц, то на его выходе сигнал ошибки равен нулю. Если же частота сигнала на входе отличается от 60 мгц, то на выходе дискриминатора появляется сигнал ошибки, величина и знак которого пропорциональны величине и направлению ухода частоты от f пр = 60 мгц (рис. 2).
Рис. 2. Принцип работы частотного дискриминатора
Этот сигнал ошибки усиливается в усилителе импульсов АПЧ и подается на механизм перестройки магнетрона, который изменяет частоту магнетрона так, чтобы промежуточная частота была равна номинальному значению 60 мгц.