За несколько последних десятилетий радиолокация превратилась в самостоятельное и развитое техническое направление. В немалой степени это связано с широким внедрением в радиолокационные системы быстродействующей цифровой техники, что вызвано рядом причин. Во-первых, цифровая техника универсальна: используя ограниченный набор микросхем можно реализовать множество различных функций. Во-вторых, с ее помощью оказалось возможным достичь очень высоких точностей радиолокационных станций путем простого увеличения разрядности чисел. В-третьих, быстродействие современных цифровых микросхем способно удовлетворить жестким требованиям, предъявляемым к ним радиолокационными системами. Наконец, в-четвертых, цифровые системы экономически более выгодны [1, с. 268].
Современная радиолокация широко использует цифровую обработку сигналов (ЦОС), о чём свидетельствуют многие литературные источники, рассмотренные и изученные автором статьи. Отметим, что несмотря на введение принципиально новых цифровых систем обработки и анализа сигналов, общие принципы радиолокации остаются теми же. Основные методы получения радиолокационной информации могут быть сформулированы в виде следующих положений.
- При обнаружении наличие цели устанавливается по факту приёма станцией сигнала от цели. Способ получения такого сигнала определяет вид локации.
- При измерении координат и параметров движения целей используются закономерности распространения радиоволн в пространстве, основными из которых являются: постоянство скорости распространения радиоволн (c = 3·108 м/с); прямолинейность распространения радиоволн; направленность излучения и приёма радиоволн, в основе которой лежит явление интерференции радиоволн; эффект Доплера.
- Выделение слабых сигналов, приходящих от цели, и разрешение целей обеспечиваются за счет различий сигналов и помех, а также сигналов от разных целей между собой.
- Информация о целях получается параллельно или последовательно во времени и выдается в виде информационных потоков.
В общем случае можно выделить три основные операции, выполняемые при обработке сигналов в современном радиолокаторе:
1) сжатие сигнала (или согласованная фильтрация);
2) снижение скорости поступления данных (пороговый анализ);
3) формирование метрики цели (оценка углового положения, дальности и скорости цели).
Выделение радиолокационных сигналов на фоне естественных и искусственных помех осуществляется путём цифровой фильтрации. Наиболее широко используются линейные фильтры с дробно-рациональными передаточными функциями. Рассмотрим подобные фильтры.
Цифровые фильтры
Типовая структура линейного цифрового фильтра (ЦФ) базируется на таких элементах, как линии задержки, весовые умножители, сумматоры (накопители) и может быть описана следующим математическим выражением:
H(z)==,
где H(z) — передаточная функция ЦРФ; B(z) и A(z) — полиномы порядков Q и P прямой и обратной (авторегрессионной) связей соответственно с коэффициентами b [ i ] и a [ i ]; z — оператор задержки, описывающий работу запоминающего устройства (ЗУ).
На рисунке 1 представлена структурная схема ЦФ.
Входные отсчёты x [ n ] поступают на вход схемы (см. рисунок 1) и, последовательно задерживаясь на один такт в задерживающих устройствах ЗУ, играющих роль линий задержки, перемножаются с весовыми коэффициентами b [ i ], а далее попадают на вход накопителя Н, который реализуется в виде сумматора. В нём осуществляется накопление взвешенных отсчётов x [ n ] входного сигнала с взвешенными отсчётами y [ n ] выходного сигнала, которые поступают из цепи обратной связи. В накопителе Н происходит суммирование взвешенных входных и выходных отсчётов. Однако, если быть точным, коэффициенты обратной связи (они же — коэффициенты авторегрессии) имеют отрицательные знаки, следовательно, на вход накопителя Н отсчёты выходного сигнала поступают со знаком «минус», то есть вычитаются из входных [2].
Разностное уравнение подобного фильтра может быть записано следующим образом:
y [ n ]= b [0] x [ n ]+ b [1] x [ n −1]+…+ b [ Q ] x [ n − Q ]−( a [1] y [ n −1]+ a [2] y [ n −2]+…
+ a [ P ] y [ n − P ])
или в эквивалентной векторной форме:
y n = b T x n − a T y n −1 ,(1)
где y n — формируемый фильтром выходной отсчёт; b и a — векторы-наборы коэффициентов фильтра размерности ( Q +1) и P соответственно; x n — ( Q +1)‑мерный вектор входных отсчётов вплоть до n -го; y n −1 — P‑мерный вектор выходных отсчётов вплоть до ( n −1)-го.
При работе цифровыми линейными фильтрами матрично-векторные формы записи в виде (1) дают возможность существенно упростить математическое описание функционирования систем обработки радиолокационных сигналов, и сделать их компьютерный анализ в современных программных средах более удобным.
Перспективы развития цифровых радиолокационных систем
Совершенствование радиолокационной техники тесно связано с развитием цифровой обработки эхосигналов.
Следующие направления представляются перспективными:
— комплексное развитие радиолокационных систем различного назначения, в том числе с другими средствами наблюдения (тепловыми, оптическими, акустическими и др.) на одном носителе и в системах наведения;
— глобализация и коммерциализация процессов разработки и производства отдельных подсистем в радиолокаторах различного назначения;
— ускорение внедрения новейших разработок в области обработки радиолокационной информации;
— применение при производстве новой электронной элементной базы;
— интеграция различных систем в сеть на основе обмена данными в едином цифровом информационном пространстве;
— комплексирование радиолокационных систем различных классов и назначения;
— создание многофункциональных систем, обеспечивающих выполнение одновременно нескольких задач;
— повышение точности синхронизации всех технических средств, в том числе радиолокационных, до пикосекундного уровня;
— создание интеллектуальных систем обработки радиолокационной информации;
— повышение живучести локационных систем по отношению к кинетическим, электромагнитным и кибернетическим воздействиям [3].
Отметим, что радиолокация также стала широко использоваться в астрономии, при исследовании космического пространства. Так, с помощью локаторов наблюдают метеоры не только в верхних слоях атмосферы Земли, но и в окружающем нашу планету космическом пространстве, что расширяет возможности по противодействию астероидно-кометной опасности [4, с. 73, 126].
Литература:
- Макклеллан Дж. Х., Пудри Р. Дж. Применение цифровой обработки сигналов в радиолокации. — Научная библиотека избранных естественно-научных изданий [Электронный ресурс]. URL: https://scask.ru/m_book_acos.php?id=88 (дата обращения: 19.10.2023).
- Марпл-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: пер. с англ.– М.: Мир, 1990.– 584 с.
- Перспективы развития радиолокационных станций вооружённых сил (2018). — Fact Military [сайт].— URL: http://factmil.com/publ/vooruzhenie/rls/perspektivy_razvitija_radiolokacionnykh_stancij_vooruzhjonnykh_sil_inostrannykh_gosudarstv_2018/148–1–0–1290 (дата обращения: 20.10.2023).
- Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра / Б. М. Шустов, Л. В. Рыхлова, Н. А. Артемьева и др.— М.: ФИЗМАТЛИТ; 2010.— 372 с.— URL: https://phti.tj/phti_tj/ozmun_ifm / Astronomy_books/ asteroidnaya_opasnost.pdf (дата обращения: 28.05.2023).
