книги / Цифровые устройства селекции движущихся целей

В. Я. Плекин

Цифровые устройства м м м ш а авануишхся иеаей

(серия “Конспекты лекций по радиотехническим дисциплинам”, вып. 11)

Рекомендовано УМО по образованию в области радиотех­ ники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипло­ мированных специалистов 654200 “Радиотехника”

САЙНС-ПРЕСС

2003

УДК 621.396.96: 621.391.26 П 38 ББК 32.95

Р е ц е н з е н т ы :

докт. техн.наук, проф. Я. А. Фурман, канд. техн.наук Б. А. Панин

Редакционный совет: Бакулев П.А., Воскресенский Д.И. (пред­ седатель), Карташев В.Г., Кулешов В.Н., Митрохин В.Н., Ники­ тин О.Р., Никольский В.М., Смольский С.М., Ушаков В.Н., Фе­ доров И.Б.

Серия “Конспекты лекций по радиотехническим дисциплинам"

Выпуск 11

В. Я. Плекии

П38 Цифровые устройства селекции движущихся целей: Учебное посо­ бие. - М.: САЙНС-ПРЕСС, 2003. - 80 с.: ил.

ISBN 5-94818-014-х

Рассматриваются вопросы синтеза и анализа алгоритмов и уст­ ройств обнаружения сигналов движущихся целей при наличии коррели­ рованных помех применительно к цифровым методам их обработки.

Анализ эффективности систем селекции движущихся целей (СДЦ) проведен с использованием методов статистического моделирования на ЭВМ.

Для практических занятий и самостоятельной работы студен­ тов радиотехнических специальностей

©САЙНС-ПРЕСС, 2003

3

ВВЕДЕНИЕ

Процесс проектирования и построения систем селекции движущихся целей (СДЦ) рассматривается применительно к цифровым методам об­ работки сигналов, что позволяет автоматизировать обработку информа­ ции импульсной обзорной радиолокационной станции (РЛС) и повы­ сить эффективность и надежность принимаемых решений.

Пособие состоит из трех глав.

В гл.1 приводятся общие сведения о методах выделения сигналов при наличии пассивных помех и рассматриваются вопросы частотной селекции сигналов движущихся целей в импульсной РЛС обзора с вы­ сокой скважностью и низкой частотой повторения сигналов. Рассматри­ ваются вопросы синтеза оптимальных алгоритмов обработки сигналов и синтеза цифровых режекторных фильтров систем СДЦ, а также анализа их эффективности и моделирования алгоритмов и устройств СДЦ с ис­ пользованием ЭВМ.

В гл.2 рассматриваются вопросы спектрального анализа прини­ маемых сигналов в РЛС с квазинепрерывным режимом излучения с ма­ лой скважностью и высокой частотой повторения сигналов; излагаются особенности построения систем СДЦ на основе использования алгорит­ мов дискретного преобразования Фурье (ДПФ) и быстрого преобразо­ вания Фурье (БПФ); проводится оценка производительности этих алго­ ритмов и возможности технической реализации на основе микропроцес­ сорной техники. С использованием методов статистического моделиро­ вания на ЭВМ анализируется эффективность алгоритмов БПФ в резуль­ тате воздействия некоторых видов помех и шумов при решении задач спектрального анализа.

В гл.З излагаются вопросы проектирования алгоритмов и уст­ ройств, использующих методы пространственно-временной СДЦ на основе междуобзорной обработки информации импульсной РЛС, а так­ же возможности построения комбинированных систем, использующих частотную и пространственную селекцию сигналов. В условиях апри­ орной неопределенности относительно спектрально-корреляционных характеристик воздействующих помех рассматриваются адаптивные принципы построения систем СДЦ.

При изложении материала учитывалось, что процесс проектирова­ ния цифровых устройств обработки сигналов включает в себя структур­ ный синтез, основанный на получении оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов функционирования схем, расчет и оптимизацию основ­ ных параметров синтезированных структур, а также анализ их эффек­ тивности с применением методов моделирования на ЭВМ.

4

1. МЕТОДЫ ЧАСТОТНОЙ СЕЛЕКЦИИ СИГНАЛОВ ДВИЖУЩИХСЯ ЦЕЛЕЙ ПРИ НАЛИЧИИ ПАССИВНЫХ ПОМЕХ

1.1. Общие сведения о методах селекции движущихся целей

Проблема обнаружения сигналов движущихся целей при наличии на входе приемника РЛС пассивных помех осложнена тем, что мощность помех обычно значительно превышает мощность полезного сигнала. Это объясняется характеристиками пассивных помех, представляющих собой отражения от пространственно-распределенных гидрометеобразований, земной поверхности, местных предметов, а также отражения от умышленных (организованных) помех, примером которых являются диполи. Вследствие того, что эффективная площадь рассеяния (ЭПР) помехи существенно больше, чем точечной цели, отношение мощности помехи Рп и мощности полезного сигнала Рс может составлять не­

сколько десятков децибел:

?n/c = 1Olg-^ = (40... 80) дБ.

Поэтому для успешного решения этой задачи используются раз­ личные методы и устройства СДЦ. Среди известных методов СДЦ наи­ более эффективным является частотный метод, основанный на ис­ пользовании различий спектрально-корреляционных характеристик по­ лезных сигналов, отраженных от движущихся целей и неподвижных помех.

Этот метод обычно используется в когерентных РЛС при им­ пульсном режиме излучения сигналов.

В РЛС с низкой частотой повторения импульсов и высокой скважно­ стью Q = Тп/ти, в которых обеспечивается однозначное измерение дально­

сти, для подавления помехи используются режекторные фильтры [1].

В РЛС с квазинепрерывным режимом излучения сигналов (КНИ), высокой частотой повторения импульсов и малой скважностью (0=5... 10) система СДЦ является многоканальной по скорости (частоте Доплера FR); в каждом канале ее содержится узкополосный фильтр,

настроенный на фиксированную частоту

Наряду с частотными методами СДЦ используются также методы пространственной и временной селекции, которые могут применяться как в когерентных, так и в некогерентных РЛС.

Следует отметить, что в ряде тактических ситуаций целесообразно применять комбинированные системы СДЦ, основанные как на частот­ ном, так и на пространственно-временных методах селекции.

5

Рассмотрим сначала методы частотной селекции применительно к импульсной когерентной РЛС обзора.

1.2. Оптимальный алгоритм обнаружения сигналов при наличии пассивных помех

Будем считать, что на входе системы СДЦ принятая реализация пред­ ставляет собой аддитивную смесь сигнала ис(/), помехи ип(/) и собст­

венного шума приемника n(t):

Простейшая модель сигнала, отраженного от движущейся цели, - это квазидетерминированный сигнал, т.е. известная функция времени, содержащая ряд неизвестных параметров:

где £с(/) - огибающая сигнала; <р0 - начальная фаза; <pc(t) - закон фа­

зовой модуляции сигнала; £2ДС=2/г-2Кг/А - доплеровский сдвиг часто­

ты сигнала; Vr - радиальная скорость цели; А - длина волны излучае­

мого сигнала; тл = 2 Яц/с - время запаздывания отраженного сигнала;

Rxl - дальность до цели; с - скорость света.

Пассивная (коррелирования) помеха представляет собой суперпо­ зицию совокупности отражателей в импульсном объеме и является га­ уссовским процессом. Экспериментально установлено [1], что энерге­ тический спектр помехи может быть представлен как

где А/п - ширина спектра помехи на уровне 0,5 по мощности.

Эта аппроксимация энергетического спектра соответствует случаю быстрых флуктуаций амплитуд элементарных отражателей в облаке помех. Используя преобразование Винера-Хинчина, функцию корреля­ ции помехи можно представить в виде1

В случае медленной скорости флуктуаций амплитуд помехи энер­ гетический спектр помехи аппроксимируется выражением [2]

6

с функцией корреляции

( 1.6)

Такую помеху называют гауссовой с резонансным спектром и экс­ поненциальной функцией корреляции.

Для синтеза оптимального алгоритма обнаружения сигналов, от­ раженных от движущихся целей в присутствии коррелированных по­ мех, необходимо воспользоваться отношением правдоподобия

(1.7)

fK„(a/e0)

где й = (й|,м2,...,м„) - пачка импульсов, соответствующая одному эле­ менту разрешения по дальности; п - число импульсов в пачке; 0 , - не­

помехой; f^„(ii/©0) - плотность вероятностей одной помехи.

Каждый элемент выборки представляет собой комплексную ам­ плитуду, содержит синфазную и квадратурную составляющие

Uk = и'к+ JMjfci / = V -T .

Обычно синфазные и квадратурные составляющие выборок полу­ чают на выходах двух фазовых детекторов, опорное напряжение на ко­ торые подается со сдвигом по фазе 90°.

Плотность вероятностей помехи имеет вид нормального много­ мерного распределения, одинакового в каждом из квадратурных кана­ лов [2]:

7

Учитывая, что при сделанных предположениях относительно свойств помехи имеет место независимость ее выборочных значений ик и ик" в квадратурных каналах, плотности вероятностей можно предста­ вить в виде

Подставляя в (1.7) выражения (1.8) и (1.9), с учетом соотношений (1.10) и (1.11), после логарифмирования получаем алгоритм оптималь­ ной обработки

Статистику у в соответствии с (1.12) сравнивают с порогом с, и в случае его превышения выносится решение об обнаружении цели.

Для сигнала с полностью известными параметрами выражение

-^u/jrR",uc + -^u'r R_,u' в соответствии (1.12) есть величина постоянная

произведения нижней треугольной R^1/2 и верхней треугольной

RA_,/2 = (R“,/2)r называется ее факторизацией.

Соотношение (1.13) представим в виде

Выражения (1.13)—(1.16) определяют смысл оптимальной обработ­ ки сигнала с полностью известными параметрами при наличии корре­

8

лированной помехи. Вначале в соответствии с (1.15) выборки декоррелируются (обеляются) путем пропускания их через обеляющий фильтр

(ОФ), импульсная характеристика которого образует матрицу R"l/2 Затем в соответствии с (1.14) и с учетом (1.16) осуществляется согласо­ ванная фильтрация в каждом квадратурном канале.

На рис. 1.1 приведена структурная схема оптимального обнаружите­ ля. В соответствии с этой структурой оптимальный алгоритм должен про­ изводить весовое суммирование всех составляющих U£ и £/*", а весовые коэффициенты определяются элементами матриц R, величина которых зависит от доплеровского смещения частоты и корреляционных свойств сигнала и помехи. Однако практическая реализация схемы имеет принци­ пиальные затруднения, так как заранее неизвестны доплеровское смещение частоты сигнала и корреляционные характеристики помехи.

Рис. 1.1

При усреднении отношения правдоподобия по неизвестному па­ раметру структура обнаружителя становится многоканальной с числом каналов, равным числу импульсов в пачке.

В каждом квадратурном канале имеется набор согласованных фильтров (СФ), настроенных на определенную частоту Доплера, что обеспечивает перекрытие всего диапазона доплеровских частот.

Следовательно, эта схема является системой СДЦ с когерентной (согласованной) фильтрацией.

При цифровой реализации схемы в каждом квадратурном канале имеются аналого-цифровые преобразователи (АЦП), которые с перио­ дом 7'д=т1 осуществляют амплитудное квантование входных сигналов.

Из соображения практических удобств выходные напряжения согласо­

9

ванных фильтров (СФ) детектируются (Д) перед сравнением с порогом. На рис. 1.2,а приведены спектры сигнала на частоте /Ли пассивной помехи на частотах повторения Fn а на рис. 1.2,6 - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) обеляющего фильтра и набор частотных характе­ ристик СФ. Полоса пропускания каждого из них: A f~ \/n T u. Поэтому

число согласованных фильтров: n = Fn/ А/ , т.е соответствует числу им­

пульсов в пачке.

Рис. 1.2

С целью упрощения схемы (см. рис.1.1) вместо когерентной обра­ ботки после обеления помехи используют некогерентное накопление. Алгоритм обработки сигнала в этом случае имеет видУ

к=I

где U*k и U*k - компоненты векторов (1.15).

Следует отметить также, что порядок ОФ зависит от числа им­ пульсов в пачке и при л=(10...30) при его реализации требует больших аппаратных затрат. Поэтому на практике ОФ заменяют режекторным, порядок которого обычно значительно меньше (2-5).Основное назначе­ ние цифрового режекторного фильтра (ЦРФ)-максимальное подавление (режекция) помехи, что позволяет увеличить отношение сигналЛюмеха.

10