www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основи радіолокації

Фільтр Допплера

Σ
Σ-канал
ΔAz
ΔAz-канал
ΔEl
ΔEl-канал
Допплерівський
фільтр ПП
Нульовий
фільтр
Допплера
Фільтр
Допплера
Об’єднувач

Рисунок 1. Приклад структурної схеми системи СРЦ моноімпульсного радіолокатора з цифровим приймачем

Σ
Σ-канал
ΔAz
ΔAz-канал
ΔEl
ΔEl-канал
Допплерівський
фільтр ПП
Нульовий
фільтр
Допплера
Фільтр
Допплера
Об’єднувач

Рисунок 1. Приклад структурної схеми системи СРЦ моноімпульсного радіолокатора з цифровим приймачем

Σ
Σ-канал
ΔAz
ΔAz-канал
ΔEl
ΔEl-канал
Об’єднувач

Рисунок 1. Приклад структурної схеми системи СРЦ моноімпульсного радіолокатора з цифровим приймачем (інтерактивний рисунок)

Зміст « Фільтр Допплера »
  1. Допплерівський фільтр як фільтр нижніх частот
  2. Лінійка допплерівських фільтрів
  3. Об’єднувач
  4. Турбінна (пропелерна) модуляція

Що таке допплерівський фільтр?

Фільтр Допплера

Для оцінювання величини частоти Допплера сигналу відлуння використовуються різноманітні допплерівські фільтри. Такі фільтри можуть бути реалізовані як апаратно у вигляді резонансних фільтрів, так і у вигляді процедур у складі програмного забезпечення, які обробляють прийнятий сигнал після його оцифрування.

Для повністю когерентного радіолокатора з цифровим приймачем та моноімпульсною обробкою система СРЦ дещо складніша, ніж для квазікогерентних радіолокаційних пристроїв. В даному випадку йдеться вже не про селекцію рухомих цілей, а про виявлення рухомих цілей (англ. Moving Target Detector, MTD). Різниця полягає в тому, що система MTD забезпечує виявлення як рухомих цілей, так і тих, які у поточний момент часу не рухаються або рухаються із невеликою швидкістю.

Рівень сигналу на виході того чи іншого фільтру буде залежати від частоти Допплера, а саме від того, на скільки вона близька до резонансної частоти фільтру. Чим ближче частота Допплера до частоти, на яку налаштований фільтр, тим вище рівень сигналу на його виході, і навпаки. Тому різні фільтри використовуються паралельно і на основі аналізу сигналів на їх виходах вибирається найкращий варіант. Побудована таким чином система схожа із узгодженим фільтром. Кінцевою метою є отримання за можливістю найкращого співвідношення між корисним сигналом і перешкодою або шумом (відношення „сигнал – перешкода + шум“, англ. „Signal-to-interference-plus-noise ratio“, SINR). Система виявлення рухомих цілей виконується на, як мінімум, трьох ідентичних каналах (сумарний або Σ-канал, різницевий канал азимуту або ΔAz-канал, різницевий канал кута місця або ΔEl-канал).

Синхронізація когерентного гетеродину в даному випадку більше не є обов’язковою. Ланка, яку все ще продовжують називати когерентним гетеродином („COHO“), в повністю когерентному радіолокаторі являє собою просто перетворювач (подільник) частоти.

fD < fзрізу ⇒ vr20 вузлів, 40 вузлів
нульовий
фільтр
Допплера
фільтр
Допплера
пасивних
перешкод
Амплітуда
fD
1 кГц
2 кГц

Рисунок 2. Фільтр Допплера як фільтр нижніх частот, показані частоти для радіолокатора L-діапазону

fD < fзрізу ⇒ vr20 вузлів, 40 вузлів
нульовий
фільтр
Допплера
фільтр
Допплера
пасивних
перешкод
Амплітуда
fD
1 кГц
2 кГц

Рисунок 2. Фільтр Допплера як фільтр нижніх частот, показані частоти для радіолокатора L-діапазону

Допплерівський фільтр як фільтр нижніх частот або як фільтр верхніх частот

Робота нульового допплерівського фільтра та допплерівського фільтра пасивних перешкод подібна до міжперіодної обробки, тобто до придушення сигналів нерухомих цілей. Обидва фільтри є різновидами допплерівського фільтру пасивних перешкод. Фазові зсуви сигналів відлуння порівнюються один з одним в останніх двох періодах зондування. Сигнали відлуння від цілей, що мають суттєву допплерівську частоту, в різних періодах набувають різних фазових зсувів і, таким чином, проходять через цей фільтр. Верхня частота (частота зрізу) допплерівського фільтру пасивних перешкод, в основному, відповідає радіальній швидкості 40 вузлів. В цей діапазон попадають сигнали відлуння від місцевих предметів, гідрометеорів і подібних об’єктів. Пасивні перешкоди у вигляді сигналів відлуння від місцевих предметів, в основному, виявляються за допомогою нульового допплерівського фільтру. Цей фільтр є більш точним (наприклад, за рахунок порівняння сигналів не у двох, а у трьох послідовних періодах повторення). Його верхня частота (частота зрізу) відповідає радіальній швидкості близько 20 вузлів. Вихід кожного фільтру має свій поріг виявлення, завдяки чому оптимізується виявлення у відповідних діапазонах частот. Фільтри обох типів можуть бути реалізовані у вигляді фільтрів нижніх або верхніх частот. Так, пасивні перешкоди будуть виявлятися у фільтрах нижніх частот і придушуватися у фільтрах верхніх частот.

Лінійка допплерівських фільтрів
від’ємний
допплерівський
зсув
додатній
допплерівський
зсув
частота
сигнал цілі
фільтр Допплера
fZF
fD
Амплітуда
лінійка фільтрів
Допплера

Рисунок 3. Частотна характеристика фільтрів в лінійці фільтрів Допплера

від’ємний
допплерівський
зсув
додатній
допплерівський
зсув
частота
сигнал цілі
фільтр
Допплера
fZF
fD
Амплітуда
лінійка фільтрів Допплера

Рисунок 3. Частотна характеристика фільтрів в лінійці фільтрів Допплера

На практиці виявники рухомих цілей в повністю когерентних радіолокаторах з моноімпульсною обробкою мають у своєму складі цілий набір (лінійку) допплерівських фільтрів. Синфазні та квадратурні сигнали (I і Q) з виходу фазочутливого аналого-цифрового перетворювача надходять на лінійку допплерівських фільтрів. Ці фільтри можуть бути реалізовані за допомогою швидкого перетворення Фур’є або у вигляді лінійки фільтрів з частотними характеристиками, що перетинаються. Після фільтрів виконується вагова обробка в частотній області з метою зменшення рівня бічних пелюсток фільтрів. Далі обчислюється величина вихідного сигналу в смузі частот кожного фільтру. По суті в допплерівських фільтрах виконується когерентне накопичення сигналу. Всі допплерівські фільтри, показані на рисунку, схожі один з одним і є смуговими фільтрами.

Поділ діапазону допплерівських частот на певну кількість N частотних піддіапазонів дає можливість побудувати дуже гнучкий алгоритм розрізнення рухомих і нерухомих пасивних перешкод. Якщо рухома пасивна перешкода (наприклад, гідрометеор або зграя птахів) з’являється з ненульовим допплерівським частотним зсувом, то пороги виявлення на виходах інших допплерівських фільтрів можуть бути збільшені відповідним чином.

Об’єднання сигналів різних допплерівських фільтрів

Внаслідок кривизни земної поверхні пасивні перешкоди від місцевих предметів або поверхні моря виникають тільки в деякому діапазоні дальностей поблизу радіолокатора. Значить придушення таких перешкод доцільно виконувати тільки під час роботи радіолокатора в режимі малої дальності. Якщо радіолокатор в режимі виявлення рухомих цілей випромінює зондувальні імпульси протягом трьох періодів повторення, то дані, отримані в цих трьох періодах мають бути оброблені, один період за одним, в системі виявлення рухомих цілей. Оскільки принципи функціонування різних фільтрів (нульовий фільтр, фільтр пасивних перешкод, лінійка допплерівських фільтрів) відрізняються, сигнали на їхніх виходах з’являються в різні моменти часу. Для їх об’єднання перед передачею в комп’ютер використовується мультиплексер.

велика дальність
велика дальність
мала дальність (3x)

Рисунок 4. Часова діаграма роботи радіолокатора з трьома періодами повторення на малій дальності для виявлення рухомих цілей.

велика дальність
велика дальність
мала дальність (3x)

Рисунок 4. Часова діаграма роботи радіолокатора з трьома періодами повторення на малій дальності для виявлення рухомих цілей

велика дальність
велика дальність
мала дальність (3x)

Рисунок 4. Часова діаграма роботи радіолокатора з трьома періодами повторення на малій дальності для виявлення рухомих цілей.

Сигнал на виході допплерівського фільтру з’являється одразу в поточному періоді повторення на відміну від фільтрів, що виконують виявлення пасивних перешкод шляхом обробки сигналів в двох (трьох) періодах повторення. Виходячи з цього, для функціонування таких фільтрів достатньо даних, отриманих в одному періоді повторення. Тому в режимі перегляду великих дальностей в кожному напрямку антени достатньо випромінювати один зондувальний імпульс. Прийнятий сигнал відлуння надходить на лінійку допплерівських фільтрів, за допомогою яких можливо виміряти частоту Допплера, а значить і радіальну швидкість цілі. На основі отриманого значення частоти Допплера можливо розрахувати прирощення дальності цілі, яке буде характеризувати змінення положення цілі. Даний параметр (прирощення дальності) відіграє важливу роль в функціонуванні екстрактору відміток для визначення параметрів стробу, в межах якого очікується отримання наступної відмітки цілі.

Допплерівський фільтр пасивної перешкоди може бути побудований так, що сигнал на його виході з’являється у другому періоді повторення.

В нульовому допплерівському фільтрі (який є також різновидом допплерівського фільтру пасивної перешкоди) виконується порівняння фазових зсувів сигналів відлуння у трьох або більше періодах повторення. Сигнал на виході фільтру з’являється тільки в останньому періоді повторення (однак більш точний).

Таким чином, мультиплексер може керуватися виключно по номеру періоду повторення. В кожному з трьох періодів повторення на сигнальний процесор радіолокатора подається сигнал з виходу якогось одного фільтру. В процесорі всі три сигнали порівнюються і для подальшої обробки вибирається найкращий. При цьому зберігається інформація в якому з фільтрів отримано вибраний для обробки сигнал.

Рисунок 5. Допплерівський спектр відгуків літака та турбіни ветрогенератору з їх пропелерною модуляцією

Турбінна (пропелерна) модуляція

Допплерівський зсув частоти виникає не тільки у разі відбиття електромагнітної енергії зондувальних сигналів від основних поверхонь літального апарату (фюзеляж, крила). З розвитком технологій зниження радіолокаційної помітності типу Stealth радіолокатори роблять все більш чутливими для того, щоби виявляти слабоконтрастні цілі. За таких умов навіть невеликі поверхні, такі як лопаті компресорів турбін, можуть породжувати достатній для виявлення сигнал відлуння. Внаслідок свого обертального руху, кожен з таких елементів буде мати радіальну швидкість, відмінну від тієї, що має весь літальний апарат. Тому сигнали відлуння, відбиті від них, будуть мати в своєму спектрі притаманні лише ним допплерівські складові. Параметри сигналів відлуння, спричинених турбінною модуляцією, залежать, в тому числі, від напрямку спостереження. Вони можуть бути збережені в базі даних в якості математичної моделі літального апарату. Подібно відбиткам пальців людини, ці параметри можуть використовуватися як характерні ознаки розпізнавання. Однак для реалізації такого методу розпізнавання необхідно виміряти всі допплерівські частоти виявленого радіолокатором об’єкту і потім порівняти їх з тими, що зберігаються в базі даних.

Допплерівська частота залежить також від несівної частоти передавача радіолокатора. Однак радіолокатор може працювати на декількох несівних частотах. З цього виходить, що вплив несівної частоти на допплерівський зсув частоти слід усунути. Це можливо легко зробити, поділивши виміряне значення допплерівської частоти на поточне значення несівної частоти, а потім помноживши його на стандартну частоту.

Рисунок 5. Допплерівський спектр відгуків літака та турбіни ветрогенератору з їх пропелерною модуляцією

Опис модулів на блок-схемі