Оптимальные приемники радиолокационных сигналов

Особенностью сигналов радиолокационных систем (РЛС) является наличие пачки импульсов.

Фильтрация РЛ-сигналов заключается в следующем:

• а) выделение из помехи каждого импульса (фильтрация);
• б) накопление энергии пачки импульсов (суммирование откликов фильтра).

Наряду с простыми сигналами в РЛС используются сложные линейно-частотно модулированные (ЛЧМ) и фазоманипулированные (ФМ) сигналы.

Согласованная фильтрация ЛЧМ-сигналов

Линейно-частотно модулированный (ЛЧМ) сигнал — это сигнал с линейным изменением частоты внутри импульса:

Рис. 10.1. ЛЧМ сигнал и его сжатая форма после согласованного фильтра.

Ширина спектра сигнала определяется девиацией частоты:

АЧХ сигнала имеет равномерную спектральную плотность:

Фазовый спектр имеет форму параболы, так как частота нарастает линейно:

Для АЧХ и ФЧХ согласованного фильтра имеем:

В качестве согласованного фильтра ЛЧМ-сигнала используется дисперсионная ультразвуковая линия задержки (ДУЛЗ). При прохождении ДУЛЗ, играющей роль согласованного фильтра (СФ), обращенный сигнал (у которого частота линейно убывает в импульсе) становится сжатым. В ней на одном конце происходит преобразование радиосигнала на промежуточной частоте 9—11 МГц в ультразвуковые колебания, которые распространяются до противоположного конца, где происходит обратное преобразование в электрический сигнал. В дисперсионной УЛЗ ультразвуковые волны разных частот имеют разную задержку, такую, которая компенсирует изменение фазы внутри импульса. В результате набега волн одной частоты на другие происходит их интерференция и сжатие импульса с увеличением амплитуды.

Для простого сигнала Af_s ? t_s = 1.

Для сложного сигнала Af_s • x_s > > 1.

При сжатии сигнала происходит перераспределение спектра из девиации частоты в спектр сжатого сигнала:

где т_5сж =1/Д/_5сж определяется по уровню 0,7 от максимальной амплитуды сжатого сигнала.

Длительность сжатого сигнала т_{5 сж} = l/Af_s сж можно измерить с помощью осциллографа. Отношение К_сж = x_{s лчм} / т₅ ^ называется коэффициентом сжатия. Примерно во столько же раз происходит увеличение амплитуды импульса при сжатии. При этом помехи, проходя через согласованный фильтр в виде ДУЛЗ, сильно ослабляются, и на выходе увеличивается отношение «сигнал/шум». Соответственно, с уменьшением x_s сж увеличивается разрешение по дальности.

На выходе согласованного фильтра сигнал имеет следующий вид:

где t₀ > Т_и — задержка сигнала в СФ. Интегрируя, получаем:

Разрешающая способность по времени будет следующей:

Одновременно (при сжатии) увеличивается амплитуда, что позволяет лучше увидеть сигнал при шумах E_s = A|T_U /2.

Преимущества ЛЧМ-сигналов:

• 1) можно уменьшить максимальную мощность импульса (предотвратить пробой антенно-фидерного тракта) и увеличить его энергию за счет большой длительности;
• 2) улучшается условие наблюдения сигнала на фоне помехи за счет увеличенной длительности наблюдения и последующего сжатия импульса;
• 3) после СФ сигнал сжат, имеет увеличенную амплитуду (и импульсную мощность) и, следовательно, увеличены разрешающая способность и отношение «сигнал/шум».

Реализация фильтра с линейной ФЧХ

Дисперсионная ультразвуковая линия задержки (ДУЛЗ) реализуется на пластине из пьезокварца (вырезанной из синтетического монокристалла кварца). При этом используются поверхностные акустические волны (ПАВ), формируемые встречно-штыревыми пьезо-акустическими преобразователями (ВШП). Пример конструкции ВШП на ДУЛЗ показан на рис. 10.2.

Частотный диапазон линий задержки на ВШП — 9—11 МГц, т. е. она используется на промежуточной частоте.