Файл: Губин, В. А. Пространственно-временная обработка радиолокационных сигналов (конспект лекций).pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.10.2024
Просмотров: 63
Скачиваний: 0
190
этом случав является помехой для наблюдения полезного сигнала?
Ответ может показаться, на первый взгляд , необычным: помеху создает сам принимаемый сигнал - его флюктуации.
Действительно, принимаемый сигнал представляет собой слу
чайный процесс; напряжение, формируемое в результате его накоп ления, также является случайной величиной. Среднее ее значение воспроизводит полезный эффект для данного элемента радиолока ционного изображения. Флюктуации этого напряжения, характери зуемые его дисперсией или действующим значением, мешают наблю дению, вводят неопределенность суждения о наличии цели. Естест венно поэтому, что при отсутствии других помех в качестве шу
мовой температуры |
Тш в формулах |
(8 .2 8 ) |
и (8 .3 0 ) следует |
подразумевать антенную температуру |
( 8 . 22) , |
характеризующую пол |
|
ный принимаемый сигнал. В этом случае уравнения дальности вы разятся
|
АТЯ 5- m Pi |
Тя |
|
(8 .4 1 ) |
- для распределенных целей |
и |
|
|
|
R>7 |
' LT„ |
б ц В |
•A f |
(8 .4 2 ) |
mpJ ' ' |
4ST |
' AF |
||
-для сосредоточенных объектов.
Сцелью упрощения выражений ( 8 .4 1 ) , (8 .4 2 ) принято обозна
чение
= |
р |
+ J s _ J z 3 _ . |
7 ~| |
тя* I [ '♦ |
Тя0 ' V |
(8 .4 3 ) |
Это эквивалентное значение яркостной температуры ненамного пре вышает действительное.
В заключении параграфа покажем в качестве примеров, как
могут быть использованы полученные соотношения для оценки основ ных параметров радиометрической станции.
Полегэем, что ПРЛС перемещается |
со скоростью V (р и с .8 . 8) . |
Луч внтенны квчается в вертикальной |
плоскости и построчно |
"осматривает" м естность. |
|
Прежде всего оценим разрешающую способность ПРЛС. Как из вестно , пассивная система не обеспечивает разрешения по даль-:
191
ности, а разрешающая способность по направлению определяется шириной луча 8 _ . Линейное разрешение на расстоянии R бу дет Д L = 0 R .
Р и с.8 . 8 . Схеме |
обзоре местности пассивной РЛС |
|
|
Очевидно, что ширину луча следует по возможности уменьшать, |
|||
применяя антенну столь |
больших размеров, насколько |
это |
позволя |
ют возможности конструирования. Ширина луча . 6 |
определяется |
||
относительным размером |
d j А антенны, величина которого |
не мо |
|
жет быть сколь угодно увеличена. Для лучших конструкций совре менных бортовых антенн в сантиметровом диапазоне волн отноше
ние |
с//л составляет примерно 10 |
. Поэтому предельное значе |
ние |
линейного разрешения можно оценить величиной |
|
|
AL = R ' 10~3 |
|
|
Величина A L определяет также |
ширину строки, прочерчива |
емой на земной поверхности антенным лучом. Последовательные строки должны вплотную примыкать одна к другой, чтобы не было пропуска целей. Поэтому при заданно# скорости летательного ап парата время, отводимое для просмотра одной строки, будет
192
Элемент земной поверхности, перекрываемый антенным лучом, дол жен иметь примерно одинаковые размеры в продольном и попереч
ном направлении. Если ширина просматриваемой полосы состав ляет L , то число элементов в одной строке будет
L
П стр ~ М 1
а время для просмотра одного элемента
^ стр _ A L
~~ T v
Тогда полоса пропускания оконечного устройства и низкочастот
ного тракта
LV
A F *
A Lz '
Теперь, пользуясь полученным ранее соотношением для распреде ленной или сосредоточенной цели, можно найти минимально наблю даемый температурный контраст А Тя . Задача может быть постав лена иначе: для заданной величины А Тя можно рассчитать по
лосу пропускания линейной части приемного тракта, обеспечиваю
щую условия наблюдения.
§ 8 Л . СТРУКТУРА ИДЕАЛЬНОГО ПРИЕМНИКА ПАССИВНОЙ РЛС
При рассмотрении вопроса о дальности действия радиометри
ческих станций была приведена примерная структурная схема при
емного тракта, включающая в себя кроме линейной части детектор
и накопительное устройство. Задачей настоящего параграфа явля ется определение наилучшей, идеальной схемы приемника ПРЛС.
Будет показано, что рассмотренная в предыдущем параграфе струк турная схема выбрана не случайно, а соответствует оптимальной процедуре обработки сигналов радиотеплового излучения. Для это
го мы воспользуемся классическим, широкоприменяемым в теории радиолокации методом, заключающимся в составлении отношения правдоподобия и рассмотрении следующих из него операций.
При отсутствии полезного сигнала в линейной части приемно
го тракта ПРЛС действует шумовое напряжение. Спектр этого на пряжения огоаничен полосой пропускания приемника A f » поэто-,
193
му согласно с теоремой Котельникова оно может быть представлено дискретными отсчетами и ; следующими через интервалы
• Соответствующие этим отсчетам образцы шумового напря жения внутренних помех (так же} как и полезного сигнала) неза висимы и распределены по нормальному закону
|
|
|
Ui |
|
|
|
Ww (Ui) = ги г |
(8 .4 4 ) |
|
|
Uщ - дисперсия |
й% |
|
|
где |
(мощность) помехи. |
|
||
__Полезный сигнал |
также имеет характер шумов с |
дисперсией |
||
Ul |
и образцы результирующего напряжения сигнал |
+ шум также |
||
распределены по |
нормальному закону |
|
||
|
|
|
г и ь |
(8 .4 5 ) |
|
^ |
СШ ( |
U'l ) |
|
Далее полагаем, что цель наблюдается в течение времени Т .
Полезный сигнал и шум с такой длительностью состоят из п = ZZAf
независимых образцов, поэтому совместная плотность распределе ния вероятностей для шума и сигнала плюс шум определяется как произведение п распределений вероятностей для одиночных об разцов:
П IU;
|
и п) ~ П ~ г |
(8 .4 6 ) |
|
|
t=r |
|
|
|
п г u-L |
(8 .4 7 ) |
|
W С Ш |
^ 2 » ' |
||
|
Отношение этих величин представляет собой функцию правдоподо бия
|
|
|
5? U; |
L(ut, |
и л) — ---------------------- = |
JL u^j |
|
ту __— |
с ' “7 ( 8 .4 8 ) |
||
|
W m i U j , О 2 , ... , U n) |
£,=I |
Uс |
Как известно, вместо отношения правдоподобия (8 .4 8 ) можно рассматривать любую его монотонную функцию. В качестве такой функции, как обычно, возьмем логарифм: .
|
|
194 |
|
|
|
l(ul, u 1, . . . , u n)=lnL(ul, u 2,... ,u n)=riln |
|
b uh 8 .W ) |
|||
Это |
выражение - |
информационный эквивалент |
отношения правдподо- |
||
бия - определяет |
программу оптимальной обработки радиотеплово- |
||||
го |
сигнала. Постоянные слагаемые и множители, |
не зависящие |
от |
||
I |
, не имеют существенного значения, так |
как |
определяют |
об |
|
ратимые операции - усиление, добавление постоянного напряжения.
Существенные операции над образцами |
u-L принимаемого сигна |
ла выражаются формулой |
|
л |
|
|
(8 .5 0 ) |
Сигнал должен быть возведен в квадрат, что означает детектиро вание, и накоплен (проинтегрирован) за время “ГГ . Как видно,
эти операции, являющиеся оптимальными, полностью соответствуют структурной схеме приемного тракта ПРЛС, рассматривавшегося при определении условий наблюдения целей.
§ 8 . 5 . СХЕМА РАДИОМЕТРОВ
Все схемы радиометров строятся по принципу, обоснованию которого был посвящен предыдущий параграф. Они содержат линей ную широкополосную ч а сть , детектор, накопительное устройство,
низкочастотный фильтр и оконечный прибор. Однако радиометриче ские устройства обладают одной специфической особенностью, на кладывающей отпечаток на их конструкции. Эта особенность со стоит в том, что полезный сигнал ничем не отличается от внутрен них шумов приемника, но может быть значительно меньше их. Вся кие случайные изменения коэффициента усиления приемника изме няют уровень шумов, что может быть принято как изменение тем пературы наблюдаемого объекта.
Существуют три разновидности схем радиометров, предназна ченные для устранения выходного эффекта, обусловленного шумами:
компенсационная, модуляционная и корреляционная.
Компенсационная схема (рис.8 .9 ) отличается тем , что из на пряжения сигнал + шум после детектора вычитается некоторая по
стоянная составляющая, соответствующая уровню шумов. Вычитание
Напряжений может осуществляться с |
помощью мостовой схемы, по |
||
добной |
представленной |
на р и с .8 .9 . |
Детектор приемника включен |
в одно |
из плеч моста. |
В противоположное плечо включена такая |
|
же цепь, питаемая от специального источника регулируемого на пряжения. Выходной продетектированный сигнал снимается с диаго нали м оста.
При отсутствии входного сигнала на основном плече моста
действует напряжение, обусловленное внутренними шумами прием |
|
ника. Переменное напряжение, подаваемое на |
другое плечо, регу |
лируется таким образом, чтобы напряжение в |
диагонали моста от |
сутствовало . В результате этого внутренние |
шумы компенсируются. |
Разум еется, что полной компенсации добиться |
невозможно, даже |
при неизменной средней величине сигнала его низкочастотные |
|
флюктуации будут проходить в тракт оконечного устройства. Самое |
|
же основное затруднение состоит в том, что компенсация наруша ется при изменении коэффициента усиления приемника. Вследствие существенного влияния нестабильности усиления на выходной эф фект компенсационные схемы не получили широкого распростране ния, несмотря на их высокую чувствительность.
Модуляционная схема (рис.8 .1 0 ) характеризуется тем, что антенно-фидерный тракт периодически отсоединяется от входа приемника, а вместо него подключается щумовое сопротивление,
196
являющееся генератором шумов с эталонным уровнем. В качестве переключателя часто применяют диск, входящий в щель волновода и состоящий из двух половин: диэлектрика и феррита (р и с.8 . I I ) .
Р и с.8 .1 0 . Модуляционная схема радиометра
Диэлектрик, введенный в волновод, не препятствует распростра нению радиоволн; феррит практически полностью отражает их и вместо этого сам создает шумовые колебания.
Рис.8 . I I . Механический модулятор
При быстром вращении диска ко входу приемника периодиче ски подводятся то сигналы от антенны, то шумы от ферритового полудиска. В результате этого сигнал приемника модулируется.
Глубина модуляции и фаза зависят от разности полезного и эта лонного сигнала. Низкочастотная модуляция сигнала сохраняется и после детектирования. Специальным низкочастотным детектором выделяется полезный сигнал с частотой вращения диска. Посколь ку фаза модуляции известна, низкочастотный детектор делается синхронным. Опорное напряжение формируют с помощью генераторов,
связанных с приводом вращения модуляционного диска.