Псевдокогерентная РЛС / Coherent-on-receive: обработка сигнала

Радиолокатор П-10

Поскольку освоение радиочастотных диапазонов начиналось от длинных волн к коротким, первые радиолокационные станции — РЛС прошли эволюцию от метровых диапазонов к все более и более высоким частотам. Преимущества очевидны: существенное сокращение размера антенных систем, которые обречены соответствовать длине волны, снижение излучаемой мощности, а также сокращение объема оборудования. С появлением твердотельных передатчиков, зависимых от внешнего возбудителя, также была решена задача полной когерентности системы: фаза излучаемого и соответственно отраженного от цели импульса находилась в строгой синхронизации с работой приемного тракта системы.

Древние РЛС метровых и дециметровых диапазонов монструозных размеров, такие как например П-10, начало разработки которых теряется в 50-х годах прошлого столетия, должны были занять почетное место в соответствующих музеях компаний — разработчиков и производителей. Вместе с этими комплексами можно было забыть и про магнетроны с конскими излучаемыми мощностями — несколько десятков кВт и фазовую настабильность этих магнетронов. Однако, с развитием stealth технологий радионевидимости летательных аппаратов стало очевидным, что невидимость обеспечивается как раз в частотных диапазонах современных РЛС, а в метровых диапазонах старых локаторов «невидимые» цели видны. Это породило повторный всплеск интереса к старым РЛС; в частности некоторые из них проходят модернизацию и находят своих заказчиков.

Помимо упомянутых преимуществ, у метровых РЛС есть еще одно: относительная неуязвимость для антирадарного вооружения, поскольку антенна пассивной головки самонаведения (ГСН) ракеты быстро теряет свою эффективность в нижней части диапазона: в отличие от наземной метровой РЛС с большой антенной системой, ГСН не может себе позволить иметь такие размеры.

Поскольку РЛС данного типа как правило содержат магнетрон в передающем тракте, который не поддерживает внешнюю синхронизацию и работает на «плавающей» частоте (точнее, на частоте на которой произойдет самосинхронизация магнетрона), нужны специальные методы для поддержания когерентности тракта. Когерентный тракт, как известно, позволяет выделить доплеровское смещение частоты в отраженном сигнале, что обуславливает эффективность селекции движущихся целей (СДЦ).

Coherent-on-receive, или псевдо — когерентный радиолокатор

Для решения этой задачи в традиционных метровых РЛС использовали следующий трюк. Поскольку магнетрон излучает импульс на нестабильной частоте, надо было сделать «снимок» этого импульса, или сохранить его в памяти. Естественно, в те времена (1950 годы!) ни о какой оцифровке и речи не было, и реализация могла быть только аналоговой. На рисунке ниже приведена принципиальная электрическая схема такого тракта («по материалам зарубежной печати», естественно). Видно, что по сравнению с ламповой техникой П-10 мы наблюдаем транзисторные каскады плюс логические элементы, что показывает некий прогресс в технологиях. Но сама реализация — точно такая же, как и в ламповом варианте.

Прежде чем обратить внимание непосредственно на схему, обрисуем общую идею метода. При формировании излучаемого импульса, помимо отправки в антенно — фидерный тракт, он синхронизирует когерентный генератор (естественно, с необходимым ослаблением). В зарубежной литературе такой генератор носит название COHO (Coherent Oscillator). Генератор имеет собственную частоту колебаний, лежащую в диапазоне частотных отклонений магнетрона, но после окончания синхронизирующего импульса ему приходится определенное время «раскачиваться» на частоте импульса синхронизации, и что важнее — с сохранением фазовой привязки. Естественно, со временем генератор уйдет на собственную частоту и фаза разбежится; достаточно лишь чтобы это произошло уже после того, как вернется импульс, отраженный от цели. При поступлении отраженного импульса генератор будет выполнять роль опорного для фазового детектора, который уже будет выделять доплеровское смещение.

Такая «ненастоящая» когерентность у нас именуется псевдокогерентностью, а в зарубежной литературе эту технику приема именуют «coherent — on — receive».

Теперь — к схеме. Тракт основного сигнала я выделил жирной линией.

Приемный тракт РЛС с когерентным генератором (кликните для увеличения)

Перед поступлением на вход схемы, зондирующий импульс магнетрона (для нас он уже синхронизирующий) переносится на промежуточную частоту (ПЧ) 30 МГц и попадает на вход разветвителя DC1. С верхнего по схеме выхода разветвителя сигнал ПЧ через линию задержки поступает на вход усилителя Q1. Линия задержки нужна для того, чтобы успела сработать логика запуска COHO. Эта логика реализована на нижней части схемы и начинает свою работу также с поступления импульса ПЧ. Присутствие импульса обнаруживается с помощью амплитудного детектора Q7 и далее в логическом блоке формируется ряд временных последовательностей для управления запуском генератора. Как работают эти последовательности — буду рассказывать в при изложении работы основного тракта, для чего возвращаемся к тому, на чем остановились — на линии задержки.

С выхода линии задержки импульс ПЧ поступает на вход усилителя Q1, который как раз предназначен для раскачки генератора, реализованного на транзисторе Q3, этим синхронизирующим импульсом. Как видно по схеме, усилитель Q1 — управляемый со стороны эмиттерной цепи, которая нагружает один из выходов логического блока. Логическая цепь управления должна пропустить к генератору не весь зондирующий импульс, а только его часть, которая соответствует относительно стабильной фазе магнетрона. Эта логика, как и последующая, является фиксированной — временные соотношения жестко заданы RC цепочками одновибраторов логического блока.

С выхода Q1 синхронизирующий импульс поступает на собственно COHO генератор Q3, задающая цепь которого выполнена на основе параллельного колебательного контура с настроечной цепью конденсаторов. Здесь мы наблюдаем второе вмешательство логического блока в работу тракта, на этот раз воздействие производится на генератор через ключ Q8. Посредством ключа логический блок отпирает генератор в тот момент времени, когда создаются наиболее благоприятные условия для синхронизации. При этом заметим, что ключ Q8 в открытом состоянии (соответствующем блокировке генератора) демпфирует колебательный контур, что обеспечивает «стирание» колебаний предыдущего импульса.

С этого момента генератор COHO непрерывно работает в фазе с импульсом, который был сформирован магнетроном. Его выход через цепь эмиттерных повторителей Q4, Q5 (чтобы не нагружать схему генератора) поступает на выход устройства.

Теперь, к моменту прихода отраженного от цели импульса, у нас будет недолговечный, но вполне рабочий источник «когерентных» колебаний.

Очевидно, что импульс цели также будет перенесен на частоту 30 МГц, где за дело примется уже фазовый детектор СДЦ.

Думаю, что к этому моменту у вас, уважаемый читатель, уже зачесались руки сделать все это в приличном цифровом виде на современной элементной базе. Вот так и я не выдержал и собрал прототип псевдо — когерентного тракта РЛС на цифре, о чем и рассказываю.

Цифровой тракт Coherent-on-receive: ADC + FPGA + ARM

Признаюсь, что процесс создания этого прототипа проходил с тихой грустью. А все из-за расставания с аналоговой реализацией, прекрасный экземпляр который виден на этом рисунке. Сколько выразительного изящества скрыто в ней для тех, кто понимает язык схемотехники! Но что поделаешь — новый век, новые нравы. Воспроизводить древнее искусство будем в соответствии с веянием времени: быстро и на готовых компонентах и платформах, с переносом всего действа в программную область. Вот собственно как у меня выглядит сам прототип, содержащий помимо обработки сигналов и их имитаторы (все в одном флаконе):

Прототип тракта Coherent-on-receive

Плата содержит два канала АЦП (ADC) и два канала ЦАП (DAC). Частота дискретизации и формирования — 125 МГц. Управление записью/считыванием производит ПЛИС/FPGA  с соответствующим API, логика работы приложений реализована на процессоре ARM, также находящемся на плате.

Двумя входами и выходами я распорядился следующим образом. Первый выход имитирует опорный радиоимпульс 30 МГц: это аналог синхронизирующего выхода магнетрона. Второй выход имитирует аналогичный радиоимпульс, задержанный относительно опорного: это аналог импульса, отраженного от цели. Задержка формируется программным способом в тракте передачи импульса на выход.

Оба импульса подаются на входы 2-х канального АЦП с помощью кабелей, которые хорошо видны на фото, и начиная с этого момента у нас работает Coherent-on-receive, или псевдокогерентный тракт обработки. Конечно, шлейфовые ВЧ кабели можно было сделать покороче и поприличнее, но использовал те которые у меня были.

Входной тракт обработки не использует никакой «внутренней» информации о времени формирования импульсов и работает строго независимо от передающей части.

С частотой выборки 125 Msamples/s на каждый период входной частоты ПЧ 30 МГц приходится 4 отсчета, что в общем то вполне достаточно  для полноценного воспроизведения импульса. Я не использовал фильтры и усилители для полноты картины — это все будет уже в реальном блоке обработки. В приложении для ARM, которое я написал на Си (один день на код и неделю разбираться как работает синхронизация), опорный импульс обнаруживается пороговой схемой, после чего начинает работать внутренний счетчик отсчетов. Производится полная запись опорного импульса, и далее — импульса цели, который поступает с задержкой.

Как видно, в нашем модернизированном варианте зондирующий импульс запоминается буквально, без кавычек, причем быстродействие платы позволяет это сделать в реальном времени. Точнее, быстродействие обеспечивает FPGA, которая работает строго  синхронно с преобразователями ADC/DAC через кольцевой буфер, а доступ к этому буферу уже получает асинхронная часть платы — процессор ARM.

Накопленные отчеты отправляются на host компьютер по IP сети, где приложением на Python’е выполняется квадратурная корреляционная обработка импульса цели и визуализируются данные. Вот как выглядит работа платы:

Зондирующий импульс и импульс цели в псевдокогерентной обработке

На диаграмме слева, показаны сигналы на двух входах АЦП платы. Ширина зондирующего и соответственно отраженного импульса соответствует 1 микросекунде. Поскольку частота ПЧ составляет 30 МГц, каждый радиоимпульс содержит около 30 периодов этой частоты. Частота выборки — 4 отсчета на период. Красным цветом показан зондирующий импульс. Он выглядит более коротким; это связано с задержкой работы триггера, который определяет начало этого опорного импульса. Будем считать, что мы вырезали часть времени, на которой работа магнетрона нестабильна. Импульс цели показан зеленым цветом, он приходит с задержкой около 0.5 мкс.

На диаграмме справа показана функция корреляции импульса цели и опорного импульса, а если быть совсем точным, то корреляции импульса цели и ортогонального разложения опорного сигнала (квадратурный коррелятор). На графике показана огибающая комплексных значений корреляции, причем характерный пик показывает значение задержки (дальности до цели) пришедшего импульса.

ToDo

Более полная имитация системы должна предусматривать генерацию импульсов с различными временными сдвигами, а также частотным доплеровским смещением, и должна включать банк доплеровских фильтров. В общем, те необходимые для радара компоненты вплоть до индикатора воздушной обстановки. Такая логика модернизации старых РЛС — замена функциональных модулей — сильно отличается от принятой в настоящее время, когда вместо лампы пытаются установить более современные полупроводниковые компоненты 🙂 А впрочем кто знает — может с точки зрения ресурсоемкости и бюджетовместительности такой подход является более оптимальным.

Во всяком случае, оставляя в изделии магнетронный передатчик и антенну, можно выкинуть пару — тройку шкафов и заменить их на небольшой блок, который будет содержать плату подобного типа и ряд маленьких симпатичных компонентов.

Помимо чисто цифровых преимуществ, здесь прорисовывается еще один выигрыш: ведь собственно нет никакой необходимости ждать когда импульс магнетрона станет стабильным для того чтобы его запомнить: нам все равно, импульс какой формы будет записан. Невырезанные куски дадут дополнительную прибавку к энергетике тракта, а паразитная частотная модуляция излучаемого импульса будет даже на пользу, потому что обеспечит лучшие корреляционные характеристики.