www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основы радиолокации

Согласованный фильтр

схема
«наибольший из»

Рисунок 1. Параллельное подключение n согласованных фильтров

схема
«наибольший из»

Рисунок 1. Параллельное подключение n согласованных фильтров

Согласованный фильтр

В телекоммуникации под термином «согласованный фильтр» понимают оптимальный линейный фильтр, предназначенный для максимизации отношения сигнал-шум (signal to noise ratio, SNR) для известного полезного сигнала в присутствии мешающего аддитивного случайного шума. Согласованные фильтры часто используются при обнаружении сигналов путем сравнения (определения корреляции) известного сигнала или шаблона с принимаемым сигналом. В данном случае целью является принятие решения о присутствии или отсутствии в принимаемом сигнале искомого сигнала.
 

схема
«наибольший из»

Рисунок 1. Параллельное подключение n согласованных фильтров

Одной из проблем построения согласованных фильтров для радиолокационных применений является то, что на практике принимаемый сигнал и шаблон априори являются неизвестными. Во многих ситуациях отраженные сигналы настолько изменяются вследствие эффекта Допплера, что перестают быть просто отражением соответствующих зондирующих сигналов. Так, например, в спектре эхо-сигнала могут присутствовать сразу несколько (иногда достаточно много) допплеровсских частот. Для распознавания вертолета важны как доплеровская частота, вызванная отражением зондирующего сигнала от вращающихся лопастей, так и допплеровская частота, соответствующая отражению от фюзеляжа, то есть определяемая радиальной скоростью всего вертолета. На практике, для каждого возможного отдельного частотного диапазона спектра отраженного сигнала должен быть построен отдельный согласованный фильтр.

Цепь сжатия импульсов представляет собой типовую форму согласованного фильтра, применяемого в радиолокации. Такой фильтр является оптимальным, когда форма принятого сигнала идентична форме зондирующего сигнала. Однако именно такую форму будут иметь, в том числе, и сигналы отраженные от неподвижных объектов, таких как местные предметы. Такие отражения называют пассивными помехами и их отображение в большинстве случаев не желательно. Если в спектре эхо-сигнала появляются допплеровские составляющие, то фильтр перестает быть оптимальным. Все частотные составляющие смещаются в определенном направлении на частотной оси, в зависимости от направления движения цели по отношению к радиолокатору. Очевидно, что в таком случае либо самые высокочастотные, либо самые низкочастотные составляющие спектра будут режектированы и не будут попадать в обработку.

Аппаратные и программные средства современных современных радиолокаторов обеспечивают компенсацию такого эффекта. Простейший вариант заключается в том, что для дальнейшей обработки не обязательно наличие обеих (верхней и нижней) частотных составляющих, а сигнал цели может быть сформирован даже когда одна из них отсутствует. Также возможно решение, при котором фильтр строится с учетом дополнительных частотных составляющих спектра искомого сигнала. В более совершенных системах используются несколько фильтров одновременно (параллельно), каждый из которых настроен на определенную допплеровскую частоту (Рисунок 1). Сигналы после этих фильтров попадают на схему (или в программную процедуру), реализующую логику «наибольший из», на выход которой проходит сигнал с наилучшим отношением сигнал-шум. Если количество фильтров велико, то лучше всего они могут быть реализованы в цифровом виде. Поэтому часть схемы (Рисунок 2), расположенная в левой части рисунка, часто реализуется программным способом.

Для каждого из возможных допплеровских спектров будет использоваться свой приемник, полоса частот которого, в данном случае будет оптимальной. Далее определение согласованной фильтрации применяют уже ко всему приемнику и уже весь приемник считают согласованным. Может использоваться параллельно несколько цифровых приемников с оптимизированными полосами частот и и оптимизированными фильтрами для каждого допплеровского спектра. Для каждой цели используется только один выход приемника, который обеспечивает наилучшее отношение сигнал-шум.

фильтры для частотных составляющих
линии задержки на длительность одной составляющей
суммирующие устройства
Uвх
Uвх
Uвых
Uвых
длительность частотных
составляющих

Рисунок 2. Структурная схема цепи сжатия импульсов — пример согласованного фильтра

фильтры для частотных составляющих
линии задержки на длительность одной составляющей
суммирующие устройства
Uвх
Uвх
Uвых
Uвых
длительность частотных
составляющих

Рисунок 2. Структурная схема цепи сжатия импульсов — пример согласованного фильтра

фильтры для частотных составляющих
линии задержки на длительность одной составляющей
суммирующие устройства
Uвх
Uвх
Uвых
Uвых
длительность частотных
составляющих

Рисунок 2. Структурная схема цепи сжатия импульсов — пример согласованного фильтра

Те, кто хотел бы рассмотреть функционирование согласованного фильтра экспериментально, могут использовать имитатор с открытым кодом (симулятор) для согласованного фильтра с несколькими примерами входных сигналов. Имеется также возможность использовать собственные сигналы.