Содержание к диссертации
Список сокращений 3
Введение 4
Глава 1 - Методы обработки цифровых ФКМ-сигналов 12
1.1 Постановка задачи 12
1,2 Классификация методов подавления боковых лепестков сжатою сиі нала 20
1.2.1 Методы первичной и методы вторичной обработки 20
1.2.2 Методы обработки в спектральной и временной области 21
1.2.3 Методы итерационной и реитсрациопной обработки 22
1.2.4 Адаптивные методы 1.3 Описание исходною ачгоритма адаптивної о С/катин импульсов 24
1.4 Выводы по главе 1 30 Глава 2 - Математическое описание системы 32 2.1 Обобщенное представление системы 32
2.2 Описание зондирующего ФКМ-сшнала 2.2.1 Описание зондирующего сиі нала для одноканалыюй РЛС 36
2.2.2 Описание векторною зондирующею си і нала для поляризационной РЛС 36
2.3 Моделирование радиолокационных объектов 37 2.3.1 Импульсная характеристика радиолокационного объекта для одноканалыюй РЛС
2.3.2 Описание моделей радиолокационных объектов для поляризационной РЛС
2.4 Факторы, влияющие на точность оценки импульсной характеристики радиолокационного объекта
2.5 Шум системы 49
2.6 Критерии оценки уровня боковых лепестков сигнала па выходе фильтра 50 сжатия
2.7 Выводы по главе 2 51
Глава 3 - Алгоритмы адаптивной фильтрации 52
3.1 Использование адаптивной обработки при фильтрации сшналов 52
3.2 Адаптивный алгоритм для одноканалыюй РЛС 55 3.2.1 Использование согласованною фильтра в составе адаптивною фильтра для одноканалыюй РЛС
3.2.2 Описание адаптивного алюритма для одноканалыюй РЛС 58
3.2.3 Описание адаптивної о фильтра для одноканальной РЛС
3.3 Адаптивный алюритм для поляризационной РЛС 67
3.3.1 Использование согласованною матричною фильтра составе эдантишюю фильтра для поляризационной РЛС
3.3.2 Описание адаптивного алгоритма для поляризационной РЛС 71
3.3.3 Описание адаптивної о фильтра для поляризационной РЛС 77
3.4 Выводы по їлаве 3 80
Глава 4 - Исследование предложенных адаптивных алгоритмов 81
4.1 Применение адаптивною алгоритма для одноканально и РЛС 81 4.1.1 Применение алюритма для разных моделей радиолокационных объектов 85
4.2 Применение адаптивного алюритма для поляризационной РЛС 96 4.2.1 Применение ачюритма для разных моделей радиолокационных объектов 98
4.3 Рекомендации но использованию разработанных алюритмов 109
4.4 Выводы по і лаве 4 109
Заключение 111
Список литературы 113
Приложение А 119
Приложение Б 1
Введение к работе
Теория радиолокации с момента своею появления в основном развивалась как теория, рассматривающая так нашваемые точечные цели. Однако, реальная цель зачастую представляет сложный объект, состоящий из совокупности элементов, и возникает необходимость определения их дальностей и интенсивности отраженных от эгих элементов сиі налов.
Во многих современных радиолокационных станциях (РЛС) применяется сложный зондирующий сигнал. Использование сложных сипіалов по сравнению с простыми имеет ряд преимуществ, в частности, достижение высокого энерюпотенциала РЛС при ограниченной мощности излучения и повышенная помехозащищенность. Среди большою многообразия сложных сшналои нашли применение фаюкодоманипулированпые (ФКМ) сигналы. Функция неопределенности таких сипіалов имеет форму, которая исключает эквивалентность сдвша во времени и по частоте, характерную, например, для линейпо-частотно-модулировапных (ЛЧМ) сипіалов.
При обработке отраженные сигналы сворачиваются в короткие импульсы в фильтре сжатия (сжимаются). Как правило, ,ч,чя этого используется согласованный фильтр (СФ). За длительность сжатою фазокодоманииулированною сигнала принимается ширина основного пика, однако за его пределами наблюдаются побочные максимумы (боковые лепестки).
Согласованный фильтр приемника РЛС может считаться оптимальным, сели радиолокационный объект представлен одним точечным отражателем и сигнал принимается на фоне аддитивного белою шума. При наблюдении сложною, состоящею из совокупности отражающих элементов, радиолокационного объекта использование СФ не является оптимальным.
Уровень боковых лепестков (УВЛ) сжатою сишала может существенно превышать не только уровень шума, но и уровни полезных сигналов. Мешающее влияние боковых лепестков проявляется в маскировании информационных пиков от слабых сишалов. Па практике часто важно не пролетить полезный слабый радиосигнал от отражателя с малой эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР) на фоне мешающих отражений от объектов с большой ЭПР. Например, отраженный целью импульс нередко теряется в более сильных отражениях от близких к цели посторонних объектов. Указанное явление существенно ограничивает динамический диапазон амплитуд полезных сигналов, обрабатываемых РЛС, и сіремление его расширить но одной принятой реализации является особенно привлекательным.
Проблема снижения уровня боковых лепестков сжатою сиінала является актуальной как для одноканальной, так и для поляризационной (мноюканалмюй) РЛС. ІЇ поляризационной PJIC ситуация усугубляется тем, что при полном поляризационном зондировании одновременно излучается два ортогональных сигнала, и уровень боковых лепестков определяется как их авто-, так и взаимной (кросс-) корреляцией.
Учитывая то, что расположение отражателей в составе радиолокационного объекта и интенсивность отраженных от них сигналов являются случайными, возникает задача синтеза приспосабливающихся (адаптивных) алгоритмов и соответствующих им фильтров, параметры и структура которых изменяются во времени. Чтобы характеристики системы были переменными и могли адаптироваться к изменяющимся условиям радиолокационного наблюдения (к различным объектам), необходимо использовать адаптивные фильтры.
Таким образом, исследовательскую работу по синтезу адаптивных шиоритмов снижения боковых лепестков отклика на выходе фильтра сжатия ФКМ радиолокационных сииіалов, рассеянных сложными радиолокационными объектами, можно считать актуальной.
Целью настоящей диссертации является разработка адаптивных алюритмов снижения уровня боковых лепестков отклика на выходе фильтра сжатия ФКМ сигналов для одпоканальнои PJIC и поляризационной PJIC, позволяющих повысить радиолокационную наблюдаемость малоразмерных целей на фоне объектов с большой ЭПР, и исследование их ефекти ни ост и.
В соответствии с этим б[ иш поставлены и решены следующие основные задачи.
1. Определение математических моделей зондирующею сиінала для одноканалыюй и поляризационной РЛС.
2. Определение моделей радиолокационных объектов для одпоканальнои и поляризационной РЛС.
3. Расширение динамического диапазона амплитуд полезных принимаемых сигналов РЛС по одной принятой реализации путем снижения уровня боковых лепестков сжатого сигнала.
4. Проведение численного моделирования адаптивною алгоритма для одпоканальнои РЛС и разработка на его основе адаптивного алгоритма для поляризационной РЛС.
5. Исследование эффективности разработанных атгоритмов адаптивной фильтрации.
Актуальность и селедина пин
Решение поставленных задач актуально на современном этапе развития радиолокации, поскольку расширение динамического диапазона амплитуд полезных сигналов позволяет избежать осложнений, связанных с наличием больших боковых лепестков сжатою сложного сигнала и является актуальными [I]. 67
Особенно актуальны JTH задачи для поляризационной радиолокации, поскольку позволяют )менынить ошибки определения элементов матриц рассеяния целей как при последовательном, так и при одновременном их измерении.
Методы исследовании. Проводимые исследования основаны на способах адаптивной обработки сипіалов, теории сложных сигналов, оптимальных методах радиоприема и статистической теории радиолокации, В процессе исследования использовались методы математическої о моделирования.
При проведении математическою моделирования использовался пакет прикладных программ MatLAB 7.0.
Практическая значимость работы определяется ее направленностью на повышение їффективности радиолокационных систем.
Полученные в работе результаты позволили:
1. Программными методами оптимизировать обработку радиолокационных cm налов по одной принятой реализации.
2. Разработать адаптивный алгоритм для одноканальной РЛС, позволяющий снижать уровень боковых лепестков принимаемою сжатою сиінала. Динамический диапазон одноканальных РЛС для описанных в работе моделей радиолокационного объекта был увеличен на 7-23 дБ, а средний квадрат ошибки оценок импульсных характеристик радиолокационных объектов снижен на 8-32 дБ. Сравнение производилось с сигналами на выходе согласованного фильтра при прочих равных условиях.
3. Разработать адаптивный алгоритм для поляризационной РЛС, позволяющий снижать уровень боковых лепестков принимаемою сжатою сигнала. Динамический диапазон поляризационных РЛС для описанных в работе моделей радиолокационною объекта был увеличен на 8 - 19 дБ, а средний квадрат ошибки оценок импульсных характеристик радиолокационных объектов снижен на 8 - 17 дБ, Сравнение производилось с сигналами на выходе согласованного матричного фильтра при прочих равных условиях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы, включающего 72 наименования, и 2-х приложений. Работа содержит 122 страницы, 36 рисунков и 7 таблиц.
Первая глава посвящена методам обработки ФКМ-сигналов. Ставится задача снижения уровня боковых лепестков сжатого сигнала, описаны преимущества использования сложных сипіалов. Объясняется природа появления боковых лепестков сложного сигнала после ею сжатия. Приведен обзор методов фильтрации сложных сигналов и краткое описание исходного адаптивного алюритма, послужившею основой для разработки представленных в настоящей работе более совершенных алгоритмов.
Во второй иаве описывается обобщенное представление системы, Представлено математическое описание зондирующею сигнала, также представлены модели радиолокационных объектов для однокапалыюй и поляризационной РЛС соответственно. Описаны факторы, влияющие на точность оценки импульсной характеристики радиолокационной) объекта. Закапчивается глана критериями оценки уровня боковых лепестков сиі нала на выходе фильтра сжатия.
Показано, что при существенном увеличении базы сиінала уровень боковых лепестков ею автокорреляционной функции падает сравнительно медленно, поэтому стремление расширить динамический диапазон амплитуд полезных принимаемых сигналов за счет величения базы бывает не всеїда оправдано, поскольку при увеличении базы сигнала увеличивается время на излучение зондирующего сшнала.
В рамках теории блестящих точек сформированы модели радиолокационных объектов, а также модели зондирующих сишалов для однокапалыюй и поляри іационной РЛС. Модели предназначены для проверки работоспособности представленных в настоящей работе адаптивных алі оритмов.
В третьей главе приводятся основные аспекты использования адаптации для фильтрации сигналов, приводится описание адаптинної о ал і оритма для однокапалыюй PJIC, использующею со і ласо кап ный фильтр в составе адаптивною. Также предлагается адаптивный алгоритм для поляризационной РЛС, иредлаїающий использование согласованного матричного фильтра в составе разработанного адаптивного фильтра
Для однокапалыюй РЛС обосновано использование соїласованною фильтра в составе адаптивною, а также представлен адаптивный алгоритм, позволяющий снизить уровень боковых лепестков сжатою сиінала в одноканальний РЛС с ФКМ-сиг налами путем адаптивной обработки принимаемого сигнала. ]\а основе шноритма был разработай адаптивный фильтр для одноканалыюй РЛС.
Для поляризационной (многоканальной) РЛС с ФКМ-сишалами раіработан адаптивный алгоритм позволяющий снизить уровень ботовых лепестков сжатою сигнала с выхода согласованною матричного фильтра, обусловленные как ненулевым уровнем боковых лепестков автокорреляционных функций, гак и ненулевой взаимной корреляцией реальных иргш опальных сигналов в составе векторною зондирующею сшнала путем адаптивной обработки. На основе адаптивною алгоритма был разработан адаптивный фильтр для поляризационной РЛС. Разработанные адаптивные алюритмы позволяют расширить динамический диапазон амплитуд полезных принимаемых сипіалов за счет снижения уровня боконых лепестков сжатых сиі налов в случае превышения их над роннем шума.
В четвертой главе проведена проверка эффективности работы представленных в настоящей диссертации адаптивною аліоритма для одноканальной РЛС и адаптивного алюритма для поляризационной РЛС.
Сделан расчет расширения динамическою диапазона амплитуд полезных принимаемых cm палов для заданных моделей в результате работы адаптивных алюритмон дчя одноканальной и поляризационной РЛС при различных уровнях шума. Также было рассчитано снижение среднего квадрата ошибки оценки импульсной характеристики радиолокационного объекта для заданных моделей в случае одноканальной и поляризационной РЛС. Сравнение производилось с сні налами на выходе соответственно соїдасованною и матричною согласованною фильтра при прочих равных условиях.
Заканчивается і лава краткими рекомендациями по использованию представленных алюритмо». Обработка результатов расчетов производилась на ПЭВМ с применением методов графическою представления результатов.
В приложениях представлены акты внедрения результатов работы и учебный процесс и в научно-исследовательскую работу.
Научнан повниш работы
І Іаучная новизна работы состоит в следующем: 1. Применительно к класс и ческой (одиокан&чьной) радиолокации со сложными сигналами новым является применение соїдасованною фильтра в качестве одною из каскадов адаптивною фильтра, импульсная характеристика которою изменяется в зависимости от наблюдаемою радиолокационного объекта. Это позволило, сохранив преимущества согласованною приема, получить более низкий уровень боковых лепестков сжатого сигнала.
2. В части поляризационной радиолокации впервые с целью расширения динамического диапазона амплитуд полешых сипіалов предложен метод снижения уровня боковых лепестков сжатою сипша, обновленных не только авто-, но и кросс-корреляцией между одновременно излучаемыми ортої опальными ФКМ-сигналами. Снижение уровня боковых лепестков в предлагаемом происходит за счет наличия перекрестных связей в каналах обработки и jчета взаимною влияния сипіалов, рассеянных близкорасположенными отражателями в составе наблюдаемо! о радиолокационного объекта. Haj ЧІІЬІЄ положения, выносимые на защиту
1. Предложенные адаптивные алгоритмы, заключающиеся и поэтапной обработке входною сигнала, позволяют получить не только максимальное отношение сні нал/шум, но и существенно снизить негативное влияние боковых лепестков сжатою сипіала за счет изменения импульсной характеристики фильтра сжатия в зависимости от оцениваемой импульсной характеристики наблюдаемого радиолокационного объекта.
2. Адаптивный алгоритм для одноканальной РЛС и адаптивный алгоритм для почяризационной PJIC позволяют получить за счет снижения уровня боковых лепестков сжатых сиі налов более точные оценки импульсных характеристик радиолокационных объектов по сравнению с оценками, получаемыми при использовании соответственно соїласованною фильтра в одноканальной РЛС и матричною согласованною фильтра в поляризационной PJIC.
3. Предложенный адаптивный алюритм для поляризационной PJIC позволяет за счет введения перекрестных спязей її каналах фильтра обработки снизил, уровень боковых лепестков сжатого сипіала, обусловленный ке только авто-, но и кросс-корреляцией между используемыми ортої опальными сигналами.
Личный вклад автора состоит в следующем:
Определена цель работы. Самостоятельно разработаны адаптивные алгоритмы снижения уровня боковых лепестков сжатых сиі налои в одноканальной и поляришциопной PJIC с ФКМ-сиі налами по одной принятой реализации путем поэтапной обработки входною еи1пала[1-5].
Задача снижения уровня боковых лепестков сжатых сиі налов была поставлена ст. научн. сотрудником НИИ РТС, д.т.н. Хлусовым В.А.
В работах, опубликованных в соавторстве, автором диссертации проведено численное моделирование итерационного алюритма снижения уровня боковых лепестков сшнала с выхода согласованною фильтра для одноканальной РЛС [6]. В работе [7] автором была раїработаиа методика и проведено моделирование итерационного алюритма снижения уровня боковых лепестков сигнала с выхода соїласовапного матричного фильтра для поляризационной РЛС. Проведено обоснование применения адаптивного алгоритма сжатия импульсов к вычислению импульсной характеристики радиоканала [8].
Автором диссертационной работы были обоснованы и разработаны методики подавления боковых лепестков сжатых сигналов в РЛС со сложными сиіналами, реализовано их численное моделирование и проведен анализ результатов [1-5,9-11].
Реализация и внедрение результатов исследовании
Результаты работы были реализованы при выполнении НИР в рамках ФЦПIII «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы», юсударстненпый контракт от «26» октября 2005г. №02.444.11.7192 [1]. Они послужили основой для создания программы математическою моделирования сигналов, рассеянных пространственно-распределенными радиолокационными объектами, и их адаптивной обработки.
Результаты исследований также были использованы в учебном процессе на радиотехническом факультете ТУСУР при преподавании курсов «Радиолокация» и «Радиотехнические системы» для студентов, обучающихся по направлению «Радиотехника».
Внедрение результатов работы подтверждено соответствующими актами.
Материалы диссертации докладывались на пяти международных и конференциях: на Сибирском поляризационном семинаре «СибПол-2004» , і- Сургут; на Третьей международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления», і. Томск; на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования», г. Тамбов; на Первой межрегиональной научной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Ростов-на Дону; на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР-2006", г. Томск; на научном семинаре, Нидерланды, г. Дэлфт.
Публикации
Основные результаты работы опубликованы в четырех статьях и полных текстах докладов, а также в тезисах пяти докладов на международных, российских и региональных конференциях.
