книги / Методы и устройства обработки сигналов в радиотехнических системах
..pdfМИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Р С Ф С Р
РЯЗАНСКИЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
В РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Р Я З А Н Ь Ч 9 9 0
Министерство высшего и среднего специального образования Р С Ф С Р
Рязанский радиотехнический институт
МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
В РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Межвузовский сборник научных трудов
Рязань 1990
УДК №
Прелставлены статьи, содержащие результаты по современны!/, направлениям научных исследований в области статистического син тазе и анализа радиотехнических систем и устройств обработки спгиалоя. Рассмотрены особенности построения радиолокационных, радионавигационных и телевизионных систем.
Сборник предназначен для научно-педагогических работников ьузов, аспирантов и инженеров, студентов старших курсов радиотех нических специальностей.
Подготовлен кафедрой радиотехнических систем Рязанского радиотехнического института.
РВДЛКЩ10Ш1АЯ |
КОЛЛЕГШ; |
|
|
д-р техн.наук, нроф. И.А.Бакулев (Москва), кацд. теки, наук, |
|||
доп. А.И.Яернвков (Владимир), канд.тохч.наук, |
доц. В.А.Казаков (о тв. |
||
реиактор), д-р техн.наух, |
проф* tt.il.Казаринов |
(Ленинград), конд. |
|
тех».наук, доп. А.Ф.Котов |
(Москва), |
канд.тохн.наук дои. В. И. Когаелав |
|
(знм.отв.редннтора), д-р |
техн.наук, |
проф. С .В. |
Первачев (Москва), |
ка-Ы.техн.наук, доц. С.А, |
Суслонов |
|
|
9 Рязанский радиотехнический институт, 1990
ВВ Е Д Е Н ИЗ
Всборник включены работы* посвященные статистическому опи санию устройств обработки сигналов в радиотехнических системах различного назначения,. Статьи отражают научную проблематику ис
следований, проводимых в основном на систомшх кафедра к несколь
ких вузов страны* Содержание сборника охватывает радиолокацион ную, радионавигационную и телевизионную тематику*
Различные аспекты работы радиолокационных стангий осаждают
ся л статьях Я. Si. Казаринова, С .Г* |
Ыотайло, |
А.Б.Флягиta; |
Г .В . Нар- |
|
това, О.Е.Патякиаа, Ю.А. Семенова |
(Ленинградский электротехни |
|||
ческий |
институт им* В.И.Ульяново |
- Ленина) i |
В*Й.Ли?юке |
(Таган |
рогский |
радиотехнический институт |
им. В.Д. |
К алш к^за); |
Б .Я .Ш а |
кина, А.Б.Овсэанко (Косовский авиационный институт им. С.Орпконикидзе); А.Ф.Нптова, Б.М.Стипанова, С.В.Шилоньова (Московский институт радиотехник и автоматики); Б.В.Гладких (ШО •'Леток' г* йряиино); Д.И.Попова; В.Г.Андреева, В.И.Ксмяедгова; В.А.Федо рова, И.Д. Шестакова, М.А.Первзнцева (Рязанский радиотехнический институт).
Статьи З.В.Добьфна, А.Б.Немова, Л.Я.Новосельцева (Лсмлчградский электротехнический институт им. Б.И.Ульяпоаа - fo.-t-r-ra);
А.К.Бернвксвя, В.А .Егорова; Е.А.Архипова (Владимирский политех нический институт) посвящены вопросам функционирования радио навигационных систем.
Телевизионная проблематика отражена в статьях А. В. Смирнова, A . М.Браткова, В.И .Косса; Ю.Н.Мамаева; В*С.Осокина, В.С.Кротенке (Рязанский радиотехнический институт).
В статьях С.В.Иервачева; Ю.А.Евеикова (Московский энергети ческий институт); С.А.Суслонова, С.И.Прусовского; Б.А.Каэакова, М.А*Б9ляева; Н.Н.Лобоза;В.А.Андрианова; НЛ1.Сальникова;
B . СЛЬряинн, IJ.В.Кулаковой(Рязанский радиотехнический институт) обсуждаются вопроси статистического анализа отдельных устройств, входящих в состав различных систем обработки сиги и ов.
- 4 -
УДК 5 5 1 .5 0 1 .8 1 :6 2 1 .3 9 6 .9 6
Ю.М.Казаринов, С.Г.Мотайло, А.Е.Флягин*
ИЗМЕРЕНИЕ СРОДНЕЙ СКОРОСТИ МЕТЕООБЪЕКТОВ ПО СИГНАЛАМ ИМПУЛЬСНО-КОГЕРЕНТНиХ РАДИОЛОКАТОРОВ
Оснащение современных систем дистанционного зондирования атмо сферы импульсно-когерентными (доплеровскими) метеорадиолокаторами (МРЛ) позволило получать информацию о пространственном распределе нии скоростей воздушных потоков в метеорологических объектах (МО).
При этом возникла необходимость выбора эффективных методов операти вного измерения средней скорости по сигналам таких МРЛ. Наибольшее
применение |
в метеорологической радиолокации находят методы |
оценки |
||
радиальной |
(в направлении на МРЛ) проекции |
скорости» |
основанные на |
|
ковариационном подходе к измерению средней |
частоты доплеровского |
|||
спектра сигналов, отраженных от МО. В [ I ] показано, |
что такие |
опе |
||
ративные алгоритмы, предполагающие получение оценок |
В(Т) комплекс |
|||
ной ковариационной функции сигнала (Т-период повторения зондирующих импульсов) в каждом пространственном элементе разрешения, не усту пают по своей эффективности алгоритмам, основанным на получении оценки доплеровского спектра в виде периодограммы принимаемого си
гнала, и отличаются простотой реализации при обработке в "реальном" масштабе времени.
Подобные алгоритмы находят применение в системах режекторной
фильтрации помех в обзорных РЛС для адаптации фильтров при измене нии корреляционных свойств пассивных помех от МО £2] . В , отличие
от этих систем в доплеровских МРЛ необходимо обеспечить получение оценок скорости не только при большой, но и при малой интеь ивности сигналов, отраженных.от МО. Так, при обзоре пространства в ре жиме наблюдения радиоэха в "ясном" небе значения отношения сигнал/ шум ^ составляют - 1 0 . . . О дБ.
В настоящей работе анализируются особенности использования ковариационных алгоритмов измерения скорости в доплеровских МРЛ
в широком диапазоне отношений сигнал/шум. |
|
|
|||
Типичный сигнал МРЛ представляет собой пакет из |
N |
экви |
|||
дистантных импульсов. Измерение |
средней |
скорости МО |
на |
основе |
|
оценки В (к Т ) |
ковариационной |
функции |
принимаемого |
сигнала |
|
производится следующим образом:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
5 - |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VK =» |
У ^ (2як) * а г д В (к Т ) |
|
|
|
|
|
|
(I) |
|||||
где |
г |
л/лт |
|
- |
диапазон |
однозначного иэмех^ения радиальной ско |
||||||||||||
рости, |
Л - длина волнь». Выражение для дисперсии |
оценки |
( I ) |
моле? |
||||||||||||||
быть записано с использованием формулы |
( 6 .2 1 ) , |
приведенной |
в |
[ I ] |
||||||||||||||
следующим образом: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
- * * £ [ 4 * K MR(K т)] 21[ 1- & кТ )]-[м + г ” ( м |
- i ) * |
|
|
|
|
||||||||||||
|
* |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
Iя/ |
|
|
|
|
|
|
|
* RZ(iT )]* М(РШ/Рс )\2М (РЖ/ Р ) [ и R (2 K T)(M-'~М к - 0 ]} |
/ |
(Z) |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
мощность |
отраженного |
сигнала, |
|||||
/*, |
- мощность шума, S(K - 1) |
равна I при |
к * 1 |
и нулю в |
остальных |
|||||||||||||
случаях. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Результаты расчетов |
по |
формуле |
(2 ) |
для |
|
случая |
R (K T) * |
||||||||||
*ехр{-20TKW) VQ )2} |
» |
где |
У |
- |
ширина |
доплеровского |
спектра |
метео |
||||||||||
объекта, |
|
приведены на рис. |
I |
и 2 в вида |
зависимостей бр (У) |
(сплош |
||||||||||||
ные линии). Эти зависимости |
рассчитаны для значений длины волны Д - |
|||||||||||||||||
* 6 см и частоты повторения |
импульсов |
F » 1/Т=120С Гц |
(эти |
значе |
||||||||||||||
ния типичны для |
М П ). /Viя удобства пользования |
графиками по |
осям |
|||||||||||||||
отложены величины |
|
и |
W в м/с и их нормированные значения |
|
||||||||||||||
G'^9V^(S^/Va |
и |
V/ц" У/Уа » Пунктиром на этих рисунках |
отмечены гра |
|||||||||||||||
ницы Крамера-Рао, |
характеризующие потенциальную точность |
измерения |
||||||||||||||||
скорости |
[3 ] |
при известном виде ковариационной матрицы |
В |
|
|
смеси |
||||||||||||
сигнала |
с |
шумом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
6ц |
- |
элементы матрицы |
В |
* а Гу |
~ элементы матрицы Г* $ . |
||||||||||||
|
Представленные на рис. |
I |
зависимости |
% (У ) |
при |
N * |
32 от |
|||||||||||
носятся к случаю измерения скоростей воздушных потоков в МО, харак
теризующихся большой радиолокационной отражаемостью (например, |
при |
|||||
наблюдении грозовых, градовых, мощных кучевых |
облаков и т . п . ) . |
Как |
||||
правило, |
подобным объектам соответствуют значения ширины |
W допле |
||||
ровского |
спектра, превышающие 3 . . . 4 |
м/с. При зондировании |
подобных |
|||
МО требуется обеспечить заданную точность измерения скорости |
во |
|||||
всем диапазоне возможных значений ф |
и W (обычно, для |
£ } |
3 дБ |
|||
и и ^ б |
м /с). D этом случае |
наилучшим следует |
признать алгоритм из |
|||
мерения |
(1 ) на основе оценки |
В (Т ) , |
поскольку |
он обеспечивает |
пра |
|
ктически |
потенциальную точность измерения для указанных минимальных |
|||||
- 6
значений qt |
и максимальных значений |
W |
. При болзе |
узких |
спект |
|||||
рах |
сигнала |
и больших значениях отношения сигнал/шум дисперсия |
та |
|||||||
кой |
оценки |
скорости будет меньше заданной (хстя и не будет |
дости |
|||||||
гать границы Крамера-Рао для данных значений q, |
и W |
) . |
|
|
||||||
|
Специфика задач, |
возложенных на доплеровские |
МРЛ, |
заключается |
||||||
в необходимости анализа радиоэха в "ясном" небе. Этому случаю |
со |
|||||||||
ответствуют |
низкая |
радиолокационная |
отражаемость |
(отношение |
си г- |
|||||
нал/шум q, < |
С дВ) |
и значения ширины |
W |
доплеровского спектра |
|
|||||
менее 2 м/с |
[ I ] |
. В |
режиме измерения в |
"ясном" |
небе |
темп |
обзора |
|||
замедляется |
в 1 0 ...2 0 |
р аз, что позволяет |
в соответствующее |
число |
||||||
раз увеличить объем N анализируемой выборки и тем самым уменьшить дисперсию оценки скорости, чтобы обеспечить заданную точность из
мерения, например, при значениях q \ -10 |
дБ. |
|
|
|
|
|||
На рис. 2 |
представлены зависимости |
<»Y(W) |
при |
N = 256, от |
||||
носящиеся к случаю измерения в "ясном” небе. Здесь |
помимо зависи |
|||||||
мостей <?КУ(W) |
приведены аналогичные |
кривые для |
б у2 (W) и <»V5(W), |
|||||
характеризующие измерение скорости по |
оценкам В (27.) |
или |
В(ЗТ) в |
|||||
соответствии с |
( I ) . Из |
этих зависимостей |
видно, |
что при |
значениях |
|||
О < W< 2 м/с и |
^ = -10 |
дБ точность измерения скорости |
на |
основе |
||||
Ъ (27) и |
В(ЗТ) |
оказывается существенно лучше точности измерения |
по оценке |
Ъ(Т) |
К сожалению, использование оценок VK при /г>/ |
огпоясняется т-эм, что интервал однозначности измерения скорости уме
ньшается ло сравнению со случаем |
использования |
оценки |
Vf |
в |
/с |
р аз. |
Приближение к границе Крамера-Рао может быть достигнуто при |
совме |
|||||
стном использовании оценок |
и однозначных |
оценок |
VQ9 |
|
, |
и |
1 Где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
7 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
^ |
v |
|
t |
(m /K ) VQ |
|
|
|
|
|
|
|
|
(3) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
On |
|
|
л |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Здесь |
m *^ 0, |
+ 1 , . . . , |
|
+ (< - / ) |
выбирается |
таким, чтобы |
обеспечить |
||||||||||||||||||
минимум |
\Vj-V0Kl |
. При этом |
могут |
возникать |
ошибки |
в |
определе |
||||||||||||||||||
нии значения |
т |
л% что |
приводит |
к появлению аномальных |
|
ошибок |
|||||||||||||||||||
при |
вычислении |
|
VQK |
|
. На рис. |
2 |
штрихпунктирной линией пока |
|
|||||||||||||||||
зана |
зависимость |
|
|
|
|
|
измерения |
скорости |
при |
совместной |
ис |
|
|||||||||||||
пользовании |
оценок |
vt |
, |
VQt |
и |
V^3 (их усреднения) |
и вероятности |
|
|||||||||||||||||
аномальных ошибок порядка |
10 |
. Знахгение &vn%(w) при |
W < 2 |
м/с |
|
||||||||||||||||||||
в 2 ,6 |
раза |
меньше |
значения |
$ v4(w) |
, т .е . алгоритм, основанный |
|
|||||||||||||||||||
на совместном |
использовании |
оценок |
^ |
( |
к |
= 1 ,2 ,3 ), |
позволяет |
|
|||||||||||||||||
при |
q |
=-10 |
дБ почти |
в 6 раз уменьшить время обзора пространст |
|
||||||||||||||||||||
ва по сравнению со случаем использования лишь оценки |
V4 |
|
Мож |
|
|||||||||||||||||||||
но показать, |
что |
при |
отношении сигнал/шум порядка -5 дБ |
исполь |
|
||||||||||||||||||||
зование |
оценок |
V0K |
при K f 4 |
становится |
нецелеоорбраэным, |
|
пос |
|
|||||||||||||||||
кольку .значительно возрастает вероятность аномальных измерений. |
|
||||||||||||||||||||||||
|
Следует отметить, что другие методы измерения (например, на |
||||||||||||||||||||||||
основе периодограммы или авторегрессионные методы) при отноше |
|
||||||||||||||||||||||||
ниях |
сигнал/шум |
q 4 |
-5 |
дБ дают |
значительно, большие по |
сравнению |
|||||||||||||||||||
с оценкой |
^ |
|
значения дисперсии |
[4 ] |
. Б заключение |
укажем на |
|||||||||||||||||||
то, |
что при больших отношениях сигнал/шум, |
малых объемах |
выборки |
||||||||||||||||||||||
(А/ |
= 32) |
и V > 3 |
v.fс |
совместное |
использование |
оценок |
V0K |
стано |
|||||||||||||||||
вится нецелесообразным, т .к . |
|
|
|
» ^vx |
|
|
**•• • * ^ - * |
У |
|
» |
и |
||||||||||||||
практически |
невозможна |
и з-за |
большой вероятности |
ошибочного оп |
|||||||||||||||||||||
ределения |
значения |
т |
в |
(3 ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Г' ..................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
БИШОГРАШЧЬШФ СПИСОК |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
I . Довиак Р . , |
Зркяч Д. Доплеровские радиолокаторы и метео |
|
||||||||||||||||||||||
рологические |
наблюдения. - Л . : |
Гидрометеоиздат, Ii-88. |
- 5 1 2 |
с . |
|
||||||||||||||||||||
|
*2*. Бакулев |
Г1.А., |
|
Степин В.М. Методы и устройства |
селекции |
|
|||||||||||||||||||
движущихся |
целей. - М.: Радио |
и свя зь, 1986. |
- 288 с . |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
3. |
Novak LLinbtgren N. Maximum tikeCihood estimation |
of |
|
|
|
|||||||||||||||||||
speetrat |
poroNsters using durst waveforms/Proc. o f tsth |
AsUomar |
|
||||||||||||||||||||||
Cohf. on |
Circuits, Systems $ Computersp Pacific |
&rove, |
OSAt |
|
|
|
|||||||||||||||||||
6-10 |
Nov, |
/OSS. - |
Pf 450-456. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
tiahapatra |
P, Zrnlc B. ProctieaC aigorithms |
fo r mean velocity |
||
estimation |
in pu ise |
floppier weather radars using |
о |
sm aflt numder o j |
eam ptes / / |
/ Ш |
Trans. V. SE-31. - W i. - do. 9. - |
P. M /SO i |
|
- 8 -
УДК 621..'Ж . 98
В.В.Добырн, А.В.Немов, Л,Я.Новосельцев
ПОДАВШМЙ НЫР^ОТРАИ.]^1ИИ ПРИ ИЮГОш'ШЗОМ РАСПРОСТРАНИЛИ СИГШОВ
Возможность использования информации о различии форм излучен ного и принимаемого радиолокационного или радионавигационного сиг
налов для уменьшения погрекуности оценки координат и прежде всего азимутальной координаты интересующего объекта при наличии переот-
рам?ний |
от наземных |
объгктев |
привлекает |
внимание |
ряда авторов [ I , |
2 ] . Рассматриваемые |
в этих |
работах методы основаны на априорном |
|||
знании |
амплитудного |
и ф^-зового спектров |
исходного |
сигнала. Как |
|
правило, авторы ограничиваются получением алгоритмов* доказывающих принципиальную возможность снижения погрешности оценки при опреде
ленном виде помехи (например, одном переотражении) . Вопрос об эф
фективности рассматриваемых алгоритмов при действии шумовой помехи но рассматривается авторами названных статей вообще.
Тенденцией развития устройств обработки радиолокационных, а в
маячных системах ближней навигации и навигационных сигналов явля
ется многоканальная по частоте Доплера обработка на основе дискре тного преобразования Фурье, реализуемого как быстрое преобразо
вание Фурье (ШФ). В настоящей статье обеуаддются структура и ха рактеристики двухэтапного алгоритма оценки азимутальной координа ты объекта при сканирующем режиме работы радионавигационного маяка в условиях действия переотражений.
При многопутевом распространении радиоволн сигнал на входе
приемника можно представить в виде |
суммы шума |
H (t) , прямого |
сиг |
|||
нала $(t) , суперпозиции |
C(t) |
|
переотражэнных сигналов, каждый |
|||
из которых по форме повторяет полезный |
прямой |
сигнал, но имеет |
от |
|||
носительно него сдвиги X |
и |
F |
по |
времени |
и частоте: |
|
Z(t) * S ( i) + |
C (i) |
♦ |
N (t) |
|
|
|
Алгоритмы обработки смеси 2-feJ основаны на представлении сиг налов и помех в виде "блестящих1* точек на плоскости время-частота. Ка-щой составляющей переотражений можно поставить в соответствие излучающую точку с координатами т , F , совокупность которых образует помеховую зону, а начало координат соответствует точке пря мого сигнала (рис. I ) .
г„
r h ! z :
flfim7.1/АУ
- 9 |
- |
|
|
F |
, Л1 |
СН)Л « Л |
SO) |
|
i ( i ) |
\ . |
|
|
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _Ч-у.ь |
t |
|
5t._ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ |
_1 |
.,-гт 1 T T lY rr^ |
|
Помехобая г |
9 |
|
U _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Jt _ _ _ |
_ зона •— |
|
||
,“ .m |
- , |
_ t |
|
J м - < ы - Ю
Р й с.I Рис.2
Будем полагать количество переотражающих объектов конечным, лежащим в пределах от 0 до N -числа импульсов в азимутальной пач
ке. Процесс Z(t) |
как узкополосный |
может быть представлен |
своими |
||||||
квадратурными |
составляющими |
X (t) |
и |
Y It) : Ztt) * X(t)cosa0t - Ytt)sit:CJ0i |
|||||
На выходах |
синхронных |
(фазовых) |
детекторов |
имеем |
в |
области |
|||
сигнала 2N |
отсчетов процесса |
Z(i): |
x m **K(tm) |
и ym= Y (tJ,m = it N |
|||||
в общем случае коррелированных |
между собой. В качестве |
первого |
|||||||
этапа обработки отсчетов входного процесса естественно выбрать со
гласованную с прямым сигналом многоканальную по |
частоте |
Доплера |
|||
процедуру формирования в каждом из |
N |
частотных |
каналов |
статисти |
|
ки |
|
|
|
|
|
|
4r = Z (6gKm х т+ВцкУт), |
Ук=Т. (вххтУ/п ~Вукм Хт), |
|||
|
Л7ЧТ |
|
tr>sf |
|
|
|
> |
&уКт * ^ |
, |
|
|
К * Qb N ~ I |
- номер доплеровского |
частотного канала. Статистика |
|||
Е* может быть реализована на основе БПФ. Первый этап алгоритма |
|||||
заканчивается |
выбором частотного канала» в котором произошло обна |
||||
ружение сигнальной пачки, и получением предварительной оценки ази
мута |
. Оценка г4 |
является и окончательной, если обработка ве |
дется |
на фоне только |
белого шума. |
Второй этап обработки - уточнение предварительной оценки целесообразно вводить в условиях действия сильных переотражениИ, значительно превосходящих по уровню шум. Процедура второго этапа основана на разложении реализации процесса, классифицированного на первом этапе как содержащий полезный сигнал, в ряд в окрестное-