5.5. Методы регулировки уровня сигналов, обрабатываемых в тракте промежуточной частоты РЛС СДЦ

Различные типа мешающих отражений имеют разную зависимость от дальности и сильно изменяются во времени (интенсивность дождя, плотность организованной помехи, состояние морской поверхности). Кроме того, мощность мешающих отражений на несколько порядков превосходит мощность полезного сигнала, которая, в свою очередь, много больше мощности собственных шумов приемника. Такая ситуация справедлива как для наземных, так и для бортовых РЛС с системами СДЦ. Обеспечение линейности приемного тракта до системы режекции пассивных помех представляет собой одну из основных проблем разработки РЛС СДЦ.

Наиболее широко применяемым методом является временная автоматическая регулировка усиления (ВАРУ). Схема ВАРУ уменьшает усиление (обычно каскадов промежуточной частоты) на малых дальностях, где обычно не требуется высокая чувствительность. Усиление может изменяться по закону Rⁿ, где n выбирается от 2 (для метеофакторов) до 4 (для мешающих отражений от земли и моря). Максимальное усиление достигается на дальности, где мешающие отражения едва превышают уровень шума.

Другим методом предотвращения насыщения приемника является мгновенная автоматическая регулировка усиления (МАРУ). Напряжение с выхода детектора интегрируется с постоянной времени в несколько длительностей импульсов и используется для изменения усиления каскадов приемника до детектора. Такая схема уменьшает общее усиление мощных мешающих отражений при незначительной потере в обнаружении полезных целей. Видоизмененный вариант этой схемы можно применить для устранения быстрого изменения уровня шума при воздействии широкополосной активной помехи. Если полоса пропускания системы, включая УПЧ, шире, чем у согласованного фильтра, то уровень шума может быть зафиксирован (оценен) до согласованного фильтра. Если входной шум достаточно широкополосен, то число независимых шумовых выборок может быть увеличено пропорционально отношению полос УПЧ и согласованного фильтра. Это позволяет более точно оценить среднеквадратическое значение шума [52].

Возможности указанных схем по поддержанию постоянного уровня ложных тревог ограничены. Они изменяют усиление (в соответствии со средним ожидаемым уровнем) отражений от дождя или местных предметов на различных дальностях, но отклонения от ожидаемых уровней или воздействие активных источников помех могут привести к нарушению нормальной работы РЛС. Система АРУ будет стремиться поддерживать уровень помехи постоянным, но такая система всегда инерционна и медленно реагирует на изменение уровня помех. Например, системы АРУ по уровню шума (ШАРУ) производят стробирование шума в нерабочих интервалах между излученным и принимаемым импульсами и приводят обычно к неправильному решению о том, что данный уровень помех характерен для всех дальностей.

Третий известный метод основан на знании того, что сигнал от цели в импульсной РЛС имеет примерно ту же длительность, что и зондирующий импульс. Мешающее отражение и активная помеха могут обладать значительно большей длительностью. Оптимизация приемника для данной длительности импульса может состоять в применении фильтра высоких частот (схема МПВ) или дискриминатора по длительности. Такой дискриминатор запрещает прохождение сигналов, обладающих меньшей или большей длительностью, чем ожидаемый полезный сигнал. Поскольку пространственное распределение большинства мешающих отражений содержит много сигналов, близких по длительности к полезным, этот метод обеспечивает незначительное подавление помехи.

Четвертым методом является применение логарифмического усилителя для уменьшения динамического диапазона входных сигналов. Поскольку применение лишь одного логарифмического усилителя (до детектора) незначительно влияет на обнаружение или на защищенность РЛС от пассивных помех, далее будет рассмотрен логарифмический усилитель в совокупности с дискриминатором по длительности или со схемой МПВ.

Цель комбинации этих устройств состоит в том, чтобы поддерживать уровень шума на выходе приемника примерно постоянным и независимым от среднего значения входного продетектированного шума или пассивной помехи, когда мешающие сигналы изменяются во времени (от одного периода повторения к другому) или в пространстве (в пределах одной развертки). Главным назначением таких схем является улучшение условий работы оператора путем уменьшения помех на индикаторе, хотя они и не дают улучшения отношения сигнал-шум или сигнал-помеха.

Метод "lg - МПВ" описан в предыдущем параграфе. Рассмотрим более подробно работу логарифмического усилителя. Согласно [68] амплитудная характеристика идеализированного логарифмического усилителя может быть записана в виде

где a и b - параметры усилителя; y и x - амплитуды выходного и входного сигналов. В [68] показано, что дисперсия сигнала на выходе составляет

Среднеквадратическое значение флуктуации постоянно, примерно равно 0,64а и не зависит от уровня входного сигнала.

К сожалению, логарифмическая характеристика не может сохраняться до нулевых входных сигналов (при этом выходной сигнал должен составлять -∞), но если логарифмическая функция поддерживается до уровней на 15-20 дБ ниже среднеквадратического значения шума приемника, то среднеквадратическое значение выходного сигнала будет отличаться от идеального случая примерно на 0,25 дБ. Это приводит к увеличению частоты ложных тревог в системе с фиксированным порогом (предполагается, что среднее значение выходного сигнала логарифмического усилителя устраняется с помощью фильтра высоких частот).

Увеличение вероятности ложной тревоги для практических логарифмических усилителей рассчитано в [52], где характеристика усилителя имела вид y = a ln (1 + bx), а порог установлен на F = 10^-8 по тепловым шумам приемника. В табл. 5.1 показано изменение вероятности ложной тревоги в зависимости от различных констант логарифмического усилителя. Если bσ составляет всего 10, то в условиях сильных мешающих отражений число ложных тревог увеличивается на порядок. Поскольку сигналы от мешающих отражателей (пассивных помех) часто на 60-80 дБ превышают среднеквадратическое значение шумов приемника, то требования к динамическому диапазону логарифмического усилителя становятся существенными.

Таблица 5.1

Назначением схемы дифференцирования, включенной за логарифмическим усилителем, является устранение средней составляющей помехи.

Схема дифференцирования оказывается эффективной лишь в том случае, когда помеха является равномерной (по дальности) в течение времени, большем постоянной времени схемы МПВ. Неравномерность в пространстве пассивной помехи любого вида ограничивает эффективность подобного устройства.

Альтернативой использования схемы дифференцирования является включение после логарифмического усилите ля схемы дискриминатора длительности импульсов (ДДИ). Этот метод, исследованный теоретически и экспериментально в [67], обладает таким же общим влиянием на пассивную помеху и шумы, как и схема "lg-МПВ". Метод позволяет режектировать импульсные помехи и мешающие отражения, существенно отличающиеся по длительности от зондирующих импульсов. Типичная структурная схема такого приемника приведена на рис. 5.23. Приемник с "lg-МПВ" имеет аналогичную схему, за исключением того, что за логарифмическим усилителем (ЛУ) будут следовать фильтр высоких частот и клиппирующая схема, устраняющая отрицательные пики.

Рис. 5.23

В обычном приемнике с линейной характеристикой полосовой фильтр (ПФ), показанный на рис. 5.23, как правило, является согласованным фильтром. При использовании логарифмического усилителя даже при одноимпульсной работе полосовой фильтр может лишь аппроксимировать согласованный фильтр, поскольку шумовая и сигнальная полосы пропускания логарифмического усилителя изменяются при изменении уровня входных сигналов. Дискриминатор по длительности импульсов пропускает лишь те импульсы, длительность которых лежит в строго заданных пределах. Эти пределы устанавливаются линиями задержки длительностью Т_д и τ, полосой пропускания полосового фильтра и допусками на компоненты. Приемник с логарифмическим усилителем и дискриминатором по длительности вносит потери при обнаружении целей в шумах и пассивных помехах, как и приемник с "lg-МПВ". Результаты экспериментов [67] указывают на наличие потерь в 4-8 дБ при обнаружении по одному импульсу по сравнению с линейным приемником ив 2-4 дБ для систем с последетекторным интегрированием.

В других вариантах данного метода логарифмический усилитель включен до детектора (т. е. усилитель работает на промежуточной, а не на видеочастоте), а за усилителем следуют детектор и дискриминатор импульсов по длительности или схема МПВ.

Схемы "lg-МПВ" и " lg-ДДИ" обладают одинаковыми преимуществами в уменьшении пассивных помех. Обе схемы вносят значительные потери при обнаружении, если постоянные времени фильтров высоких частот (т. е. цепей МПВ и ДДИ) малы. Можно показать, что схема "lg-ДДИ" оказывается несколько более эффективной при помехах типа земля, облака, непротяженные организованные помехи, поскольку при использовании схемы "lg-МПВ" для ее эффективного действия среднее значение отраженных сигналов должно оставаться постоянным в течение многих постоянных времени, в то время как ДДИ может подавлять сигналы, длительность которых всего в 1,5-2 раза больше длительности импульса.