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

Фильтр Допплера

Σ
Σ-канал
ΔAz
ΔAz-канал
ΔEl
ΔEl-канал
Допплеровский
фильтр ПП
Нулевой
фильтр
Допплера
Фильтр
Допплера
Объединитель

Рисунок 1. Пример структурной схемы системы СДЦ моноимпульсного радиолокатора с цифровым приемником

Σ
Σ-канал
ΔAz
ΔAz-канал
ΔEl
ΔEl-канал
Допплеровский
фильтр ПП
Нулевой
фильтр
Допплера
Фильтр
Допплера
Объединитель

Рисунок 1. Пример структурной схемы системы СДЦ моноимпульсного радиолокатора с цифровым приемником

Σ
Σ-канал
ΔAz
ΔAz-канал
ΔEl
ΔEl-канал
Объединитель

Рисунок 1. Пример структурной схемы системы СДЦ моноимпульсного радиолокатора с цифровым приемником (interactive picture)

Содержание « Фильтр Допплера »
  1. Допплеровский фильтр
  2. Линейка допплеровских фильтров
  3. Объединение сигналов
  4. Турбинная (пропеллерная) модуляция

Что такое допплеровский фильтр?

Фильтр Допплера

Для оценки величины частоты Допплера эхо-сигнала используются различные допплеровские фильтры. Такие фильтры могут быть реализованы как аппаратно в виде резонансных фильтров, так и в виде процедур в составе программного обеспечения, которые обрабатывают принятый сигнал после его оцифровки.

Для полностью когерентного радиолокатора с цифровым приемником и моноимпульсной обработкой система СДЦ несколько сложнее, чем для квазикогерентных радиолокационных устройств. В данном случае речь идет уже не о селекции движущихся целей, а об обнаружении движущихся целей (англ. Moving Target Detector, MTD). Разница заключается в том, что система MTD обеспечивает обнаружение как движущихся целей, так и тех, которые в текущий момент времени не движутся или движутся с небольшой скоростью.

Уровень сигнала на выходе того или иного фильтра будет зависеть от частоты Допплера, а именно от того, на сколько она близка к резонансной частоте фильтра. Чем ближе частота Допплера к частоте, на которую настроен фильтр, тем выше уровень сигнала на его выходе, и наоборот. Поэтому различные фильтры используются параллельно и на основе анализа сигналов на их выходах выбирается наилучший вариант. Построенная таким образом система схожа с согласованным фильтром. Конечной целью является получение как можно более лучшего соотношения между полезным сигналом и помеховым сигналом или шумом (отношение «сигнал — помеха +шум», англ. «Signal-to-interference-plus-noise ratio», SINR). Система обнаружения движущихся целей выполняется на, как минимум, трех идентичных каналах (суммарный или Σ-канал, разностный канал азимута или ΔAz-канал, разностный канал угла места или ΔEl-канал).

Синхронизация когерентного гетеродина в данном случае более не является обязательной. Звено, которое все еще продолжают называть когерентным гетеродином («COHO»), в полностью когерентном радиолокаторе представляет собой просто преобразователь (делитель) частоты.

fD < fсреза ⇒ vr20 узлов , 40 узлов
нулевой
фильтр
Допплера
фильтр
Допплера
пассивных
помех
Амплитуда
fD
1 кГц
2 кГц

Рисунок 2. Фильтр Допплера как фильтр нижних частот, показаны частоты для радиолокатора L-диапазона

fD < fсреза ⇒ vr20 узлов , 40 узлов
нулевой
фильтр
Допплера
фильтр
Допплера
пассивных
помех
Амплитуда
fD
1 кГц
2 кГц

Рисунок 2. Фильтр Допплера как фильтр нижних частот, показаны частоты для радиолокатора L-диапазона

Допплеровский фильтр как фильтр нижних частот или как фильтр верхних частот

Работа нулевого допплеровского фильтра и допплеровского фильтра пассивных помех схожа с межпериодной обработкой, то есть с подавлением сигналов неподвижных целей. Оба фильтра являются разновидностями допплеровского фильтра пассивных помех. Фазовые сдвиги эхо-сигналов сравниваются друг с другом в последних двух периодах следования зондирующих импульсов. Эхо-сигналы целей, имеющие существенную допплеровскую частоту, в разных периодах получают разные фазовые сдвиги и, таким образом, проходят через этот фильтр. Верхняя частота (частота среза) допплеровского фильтра пассивных помех в основном соответствует радиальной скорости 40 узлов. В этот диапазон попадают эхо-сигналы местных предметов, гидрометеоров и тому подобных объектов. Пассивные помехи в виде эхо-сигналов местных предметов в основном обнаруживаются при помощи нулевого допплеровского фильтра. Этот фильтр является более точным (например, за счет сравнения сигналов не в двух, а в трех периодах повторения). Его верхняя частота (частота среза) соответствует радиальной скорости около 20 узлов. Выход каждого фильтра имеет свой порог обнаружения, благодаря чему оптимизируется обнаружение в соответствующих диапазонах частот. Фильтра обоих типов могут быть реализованы в виде фильтров нижних или верхних частот. Так, пассивные помехи будут обнаруживаться в фильтрах нижних частот и подавляться в фильтрах верхних частот.

Линейка допплеровских фильтров
отрицательный
допплеровский сдвиг
положительный
допплеровский сдвиг
частота
сигнал цели
фильтр Допплера
fZF
fD
Амплитуда
линейка фильтров Допплера

Рисунок 3. Частотная характеристика фильтров в линейке фильтров Допплера

отрицательный
допплеровский сдвиг
положительный
допплеровский сдвиг
частота
сигнал цели
фильтр Допплера
fZF
fD
Амплитуда
линейка фильтров Допплера

Рисунок 3. Частотная характеристика фильтров в линейке фильтров Допплера

На практике обнаружители движущихся целей в полностью когерентных радиолокаторах с моноимпульсной обработкой имеют в своем составе целый набор (линейку) допплеровских фильтров. Синфазные и квадратурные сигналы (I и Q) с выхода фазочувствительного аналого-цифрового преобразователя поступают на линейку допплеровских фильтров. Эти фильтры могут быть реализованы при помощи быстрого преобразования Фурье или в виде линейки фильтров с пересекающимися частотными характеристиками. После фильтров выполняется весовая обработка в частотной области с целью уменьшения уровня боковых лепестков фильтров. Далее вычисляется величина выходного сигнала в полосе частот каждого фильтра. По сути в допплеровских фильтрах выполняется когерентное накопление сигнала. Все допплеровские фильтры, показанные на рисунке, схожи друг с другом и являются полосовыми фильтрами.

Разделение диапазона допплеровских частот на некоторое количество N частотных поддиапазонов дает возможность построить очень гибкий алгоритм разделения движущихся и неподвижных пассивных помех. Если движущаяся пассивная помеха (например, гидрометеор или стая птиц) появляется с ненулевым допплеровским частотным сдвигом, то пороги обнаружения на выходах других допплеровских фильтров могут быть увеличены соответствующим образом.

Объединение сигналов разных допплеровских фильтров

Вследствие кривизны земной поверхности пассивные помехи от местных предметов или поверхности моря возникают только в некотором диапазоне дальностей вблизи радиолокатора. Следовательно подавление таких помех целесообразно выполнять только при работе радиолокатора в режиме малой дальности. Если радиолокатор в режиме обнаружения движущихся целей излучает зондирующие импульсы в течении трех периодов повторения, то данные, полученные в этих трех периодах должны быть обработаны, один период за другим, в системе обнаружения движущихся целей. Поскольку принципы функционирования разных фильтров (нулевой фильтр, фильтр пассивных помех, линейка допплеровских фильтров) отличаются, сигналы на их выходах появляются в разные моменты времени. Для их объединения перед передачей в компьютер используется мультиплексор.

long-range
long-range
short range

Рисунок 4. Временная диаграмма работы радиолокатора с тремя периодами повторения на малой дальности для обнаружения движущихся целей.

long-range
long-range
short
range
short
range
short
range

Рисунок 4. Временная диаграмма работы радиолокатора с тремя периодами повторения на малой дальности для обнаружения движущихся целей

long-range
long-range
short
range
short
range
short
range

Рисунок 4. Временная диаграмма работы радиолокатора с тремя периодами повторения на малой дальности для обнаружения движущихся целей.

Сигнал на выходе допплеровского фильтра появляется немедленно в текущем периоде повторения в отличие от фильтров, выполняющих обнаружение пассивных помех путем обработки сигналов в двух (трех) периодах повторения. Исходя из этого, для функционирования таких фильтров достаточно данных, полученных в одном периоде повторения. Поэтому в режиме просмотра больших дальностей в каждом направлении антенны достаточно излучать один зондирующий импульс. Принятый эхо-сигнал попадает на линейку допплеровских фильтров, при помощи которых можно измерить частоту Допплера, а значит и радиальную скорость цели. На основе полученного значения частоты Допплера можно рассчитать приращение дальности цели, которое будет характеризовать изменение положения цели. Данный параметр (приращение дальности) играет важную роль в функционировании экстрактора отметок для определения параметров строба, в пределах которого ожидается получение следующей отметки цели.

Допплеровский фильтр пассивной помехи может быть построен так, что сигнал на его выходе появляется во втором периоде повторения.

В нулевом допплеровском фильтре (являющемся также разновидностью допплеровского фильтра пассивной помехи) выполняется сравнение фазовых сдвигов эхо-сигналов в трех или больше периодах повторения. Сигнал на выходе фильтра появляется только в последнем периоде повторения (однако более точный).

Таким образом, мультиплексор может управляться исключительно по номеру периода повторения. В каждом из трех периодов повторения на сигнальный процессор радиолокатора подается сигнал с выхода какого-то одного фильтра. В процессоре все три сигнала сравниваются и для дальнейшей обработки выбирается наилучший. При этом сохраняется информация в каком из фильтров получен выбранный для обработки сигнал.

Рисунок 5. Допплеровский спектр самолета и турбины ветрогенератора с их пропеллерной модуляцией

Турбинная (пропеллерная) модуляция

Допплеровский сдвиг частоты возникает не только при отражении электромагнитной энергии зондирующих сигналов от основных поверхностей летательного аппарата (фюзеляж, крылья). С развитием технологий снижения радиолокационной заметности типа «Stealth» радиолокаторы делают все более чувствительными для того, чтобы обнаруживать слабоконтрастные цели. При таких условиях даже самые небольшие поверхности, такие как лопасти компрессоров турбин, могут порождать достаточный для обнаружения эхо-сигнал. Вследствие своего вращательного движения, каждый из таких элементов будет иметь радиальную скорость, отличающуюся от той, которую имеет весь летательный аппарат. Поэтому эхо-сигналы, отраженные от них будут иметь в своем спектре присущие только им допплеровские составляющие. Параметры эхо-сигналов, вызванных турбинной модуляцией, зависят, в том числе, от направления наблюдения. Они могут быть сохранены в базе данных в качестве математической модели летательного аппарата. Подобно отпечаткам пальцев человека, эти параметры могут использоваться в качестве характерных признаков распознавания. Однако для реализации такого метода распознавания необходимо измерить все допплеровские частоты обнаруженного радиолокатором объекта и затем сравнить их с теми, что хранятся в базе данных.

Допплеровская частота зависит также и от несущей частоты передатчика радиолокатора. В то же время радиолокатор может работать на нескольких несущих частотах. Из этого следует, что влияние несущей частоты на допплеровский сдвиг частоты следует устранить. Это можно легко сделать, поделив измеренное значение допплеровской частоты на текущее значение несущей частоты, а затем умножив его на стандартную частоту.

Figure 5: The Doppler spectra of an aircraft and a wind turbine with its jet engine modulation.

Описание модулей на блок-схеме (Рисунок 1)