Содержание к диссертации
Стр.
Перечень сокращений и условных обозначений 4
Введение 7
1. Модели и методы радиолокационных сигналов, отраженных от целей и 17
морской поверхности
1.1. Математические модели сигналов, отраженных от морских целей 17
Типы радиолокационных целей 17
Модели эхо-сигнала от морских целей 20
Модели эхо-сигналов, отраженных от морской поверхности 31
Имитаторы радиолокационных сигналов 41
Имитатор эхо-сигналов от морских целей 41
Имитатор эхо-сигналов от морской поверхности 46
2. Имитация пассивных помех и эхо-сигналов от целей с использованием
сложных зондирующих сигналов 53
Выбор метода имитации целей и пассивных помех 53
Модель сигналоподобной помехи 55
Построение модели 55
Характеристики сигналов, отраженных от морской поверхности. 62
Иллюстрация формирования сигналоподобной помехи от морской поверхности при использовании сложного сигнала 67
Моделирование сигналоподобных пассивных помех 70
2.3. Цифровая модель радиолокационных эхо-сигналов от целей ' 81
Построение модели 81
Моделирование эхо-сигналов от цели 89
3. Исследование показателей качества систем обработки сложных
радиолокационных сигналов с использованием разработанных
цифровых моделей сигналов и помех 93
3.1. Обобщенная модель радиолокационного канала 93
^
\
\/
3.2. Оценка характеристик РЛС со сложным сигналом с помощью
цифровых моделей сигналов и сигналоподобной помехи 96
Цифровая модель радиолокационного канала для оценки характеристик обнаружения РЛС 96
Моделирование обработки сигналов с использованием модели цели и сигналоподобной помехи 106
3.3. Статистическое моделирование характеристик обнаружения цели
для квазинепрерывной РЛС со сложномодулированными сигна
лами 111
Пороговая обработка сжатых и накопленных сигналов и стабилизация уровня ложных тревог 113
Моделирование характеристик обнаружения цели на фоне помех от морской поверхности при низком расположении антенны РЛС
над поверхностью 118
3.3.3. Некоторые результаты моделирования характеристик обнаруже
ния 126
4. Построение имитаторов радиолокационного канала микроволнового
диапазона с использованием цифровой линии задержки 138
Разработка схемы имитатора эхо-сигналов с использованием циф- 138 ровой линии задержки
Методики использования имитаторов в лабораторных и натурных условиях 145
4.3. Ожидаемые результаты исследования на имитаторах 154
Заключение 164
Библиографический список использованной литературы 168
Приложения
Технические характеристики РЛС
Рассогласованный фильтр для кода Баркер 13 символов (РФ-67)
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
I.'
АКФ - автокорреляционная функция
АЛЗ - акустическая линия задержки
AM — амплитудная модуляция
АМ-ФМ — амплитудная и фазовая манипуляция
АЦП — аналого-цифровой преобразователь
БЛ — боковой лепесток
БПФ - быстрое преобразование Фурье
ВАРУ — временная автоматическая регулировка усиления
ВФН - взаимная функция неопределенности
ВЧ — высокая частота
ГШ — генератор шума
ДОР — диаграмма обратного рассеяния
ЗУ — запоминающее устройство
ЛЗ — линия задержки
ЛЧМ — линейная частотная модуляция
НИП — нерегулярная импульсная последовательность
ОЗУ - оперативное ЗУ - англ.: RAM
ОФ — оптимальный фильтр
ПАКФ - периодическая автокорреляционная функция
ПК — персональный компьютер
ПЛИС — программируемая логическая интегральная схема
ПРВ — плотность распределения вероятности
ПСП — псевдослучайная последовательность
ПУ - пороговое устройство
ПЧ - промежуточная частота
РК - радиолокационный канал
РЛС - радиолокационная станция
РИП — регулярная импульсная последовательность
свч сдц спм
СУЛТ
УЭПР
ХРЛР
ЦАП ЦОС
ПЭВМ
ЭПР *о(0
n(t) x(t) Z(t)
рассогласованный фильтр
радиоэлектронные средства
сверхвысокая частота
селекция движущихся целей
спектральная плотность мощности
стабилизация уровня ложной тревоги
согласованный фильтр
уровень боковых лепестков
удельная эффективная площадь рассеяния
фазовая манипуляция
функция неопределенности
функция рассеяния
фазово-частотная характеристика
характеристика обнаружения
характеристика радиолокационного рассеяния
цифровая линия задержки
цифро-аналоговый преобразователь
цифровая обработка сигналов
частотная модуляция
персональная электронная вычислительная машина
электромагнитная волна
эффективная площадь рассеяния
комплексная огибающая зондирующего сигнала
излучаемый сигнал РЛС
эхо-сигнал от цели на входе приемника РЛС
комплексная огибающая пассивной помехи
комплексная огибающая белого шума
смесь сигнал+помеха+шум на входе приемника
огибающая сигнала на выходе схемы обработки сигналов
УЭПР морской поверхности
<*п» ацсР стц - средняя ЭПР цели; текущая ЭПР цели
W(s) — ПРВ амплитуд сигнала s(t)
W\t,f) — функция рассеяния морской поверхности
S(f) — спектр сигнала s(t)
М[х] DM
R(t), р(т) — КФ, коэффициент корреляции
— оператор вычисления математического ожидания величины х
— оператор вычисления дисперсии величины х
Х\Т>Л) — функция неопределенности сигнала
D — вероятность правильного обнаружения
F — вероятность ложной тревоги
<7сш> ^спш - отношение «сигнал/шум», «сигнал/помеха + шум»
Тк» ткп — время корреляции цели, пассивной помехи
tp — время реализации процесса
Т„, Ts — период повторения сигнала, длительность сигнала
At,fw - интервал дискретизации, частота дискретизации
/їа» hn — высота антенны РЛС, высота цели
\ — средняя высота морской волны
Л'/дц - доплеровская частота эхо-сигнала от цели
fun — общий доплеровский сдвиг частот пассивной помехи
Ап — эффективная ширина спектра пассивной помехи
Фв, Фг — ширина ДНА в вертикальной и горизонтальной плоскости
Go — коэффициент усиления антенны
Ри — импульсная (пиковая) мощность РЛС
Я — длина радиоволны излучения
SR — разрешение по дальности
R, RKp — дистанция, критическая дальность
-Ятах C^min) — максимальная (минимальная) дальность цели, при которой
оценивается качество ее обнаружения
Введение к работе
Актуальной проблемой современной радиолокации является повышение
t помехозащищенности РЛС, которая подразумевает обеспечение подавления ес-
тественных и искусственных помех, низкую вероятность перехвата излучения, электромагнитную совместимость в коллективе РЛС, высокие точности измерения параметров целей [29]. Процесс проектирования помехозащищенных радиолокационных станций (РЛС) включает в себя процедуры анализа и синтеза оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов формирования и пространственно-временной обработки сигналов. Особенностью помехозащищенных станций различного назначения является использование сложномодулированных когерентных зондирующих сигналов с большой базой. Для одноантенных РЛС, например, судовых и корабельных, особенно большой интерес вызывает использование сигналов с высоким разрешением по дальности и большой длительностью когерентного накопления и базой до 106. Такие сигналы позволяют суще-
* ственно снизить пиковую мощность передатчика и обеспечить точное измере-
' ние дальности и скорости цели. Одним из существенных конструктивных
особенностей морских РЛС со сложным сигналом большой длительности является использование одной антенны и квазинепрерывный режима работы [20]. При большой дальности обнаружения воздушных и надводных целей с зондирующим сигналом, превышающим по длительности максимальную задержку на инструментальной шкале дальности (речь идет о дальностях более 2 км) и использовании одной антенны на передачу и прием для достижения потенциальной чувствительности необходимо попеременное подключение антенны к выходу передатчика и на вход приемника. Исследованы регулярный и нерегулярный (псевдослучайный) законы коммутации приемо-передающего
тракта и влияние искажений сигналов коммутации на форму функции
* неопределенности зондирующего сигнала [19,20].
Было показано [20], что квазинепрерывный режим работы, который применяют в одноантенных РЛС со сложным сигналом большой длительности, от-
рицательно влияет на качество обнаружения в помехах (типа отражений от морской и земной поверхности), вследствие искажений функций неопределенности (ФН) сигнала и, естественно, отклика согласованного с сигналом фильтра при коммутации приемо-передатчика. Поставленная задача синтеза сигнала с учетом этого режима для устранения искажений не нашла пока окончательного общего решения. В ряде частных случаев удается найти сигнал с малыми искажениями при обработке или уменьшить их. В настоящее время интенсивно ведутся работы в области разработки новых методов синтеза зондирующего сигнала, которые ставят своей целью подавление боковых лепестков ФИ в рабочей области задержек и доплеровских частот с учетом коммутирующих приемопередатчик сигналов.
Разработка новых методов анализа и синтеза РЛС со сложными квазине
прерывными сигналами и помехоустойчивыми алгоритмами обработки вклю
чают аналитический подход (синтез структуры алгоритмов формирования и об
работки сигналов), моделирование процессов формирования сигналов и помех,
<* распространения на трассе РЛС- цель, пространственно-временной обработки
h и, наконец, проведение испытаний прототипов по реальным целям в полигон-
ных условиях.
Следует отметить и другой аспект теории и практики разработки РЛС со
сложным сигналом. Так как теоретический анализ методов повышения помехо
защищенности РЛС различного назначения со сложными квазинепрерывными
сигналами большой длительности и базы чрезвычайно сложен и не дает точных
результатов, большую роль для получения положительных результатов проек
тирования РЛС играют практические измерения тактико-технических характе
ристик (ТТХ), рассматриваемых в этой работе когерентных РЛС. Разработан
ные методы синтеза сигналов и алгоритмов [13, 15 - 17, 19, 32, 44, 66] обычно
не учитывают их технической реализации. К примеру, найдены модулирующие
* последовательности с низким и нулевым уровнем боковых лепестков (УБЛ),
однако при их использовании в реальной радиолокационной аппаратуре (особенно микроволнового диапазона) технический уровень остатков на выходе
9 схем обработки намного выше, чем теоретический [32]. Поэтому важную роль при проектировании РЛС могут иметь методы моделирования процессов преобразования сигналов и оценки качественных показателей РЛС на моделях полезных сигналов, помех и алгоритмов их обработки [10].
Полученные данные на моделях радиолокационного канала используют для корректировки и выбора наилучших сигналов и алгоритмов пространственно-временной обработки. При этом важнейшую роль играют разработка и исследование методов моделирования и преобразования сигналов в радиолокационном канале РЛС, включающем в себя формирователь сложного сигнала, модели цели, помех, приемное устройство, устройство сжатия принимаемых сигналов и устройство принятия решения о наличии цели.
При проектировании и разработке РЛС чрезвычайно важно провести проверки ключевых параметров вновь разрабатываемой РЛС на имитаторах, работающих в реальном времени. Один из основных методов, с помощью которого можно получить достоверную информацию о качественных показателях и характеристиках морских РЛС с простыми и сложными сигналами, является метод натурных испытаний [49]. Как правило, возможности проведения таких испытаний существенно ограничены или вообще невозможны.
Испытания морских РЛС требуют больших затрат времени и средств. Поэтому целесообразно развитие новых высокопроизводительных методов и приборов, позволяющих проверить и измерить ТТХ когерентных РЛС на стадии проектирования и предварительных, ограниченных по масштабам и финансовым затратам заводских испытаниях, до установки их на борт. Большую роль здесь могут играть методы и аппаратура полунатурного моделирования с использованием современных быстродействующих ПЭВМ и специализированных стендов [34]. Применение этих средств позволит с большей уверенностью предполагать, что характеристики РЛС в рабочих условиях будут отвечать поставленным тактико-техническим требованиям. Оценку многих важнейших выходных (конечных) характеристик когерентных РЛС со сложным зондирующим сигналом на этапе их проектирования, изготовления опытных образцов и
10
типовых испытаний, серийных образцов можно производить с помощью ими
таторов радиолокационных сигналов различных диапазонов. Такие приборы
позволяют имитировать отражения от нескольких неподвижных и движущихся
целей на любых рабочих дистанциях и помеховую обстановку [10, 72].
** Таким образом, исследовательскую работу по разработке методов имита-
ции в реальном времени сложных когерентных сигналов, отраженных от флуктуирующих целей, и сигналоподобных помех, с различными законами плотности распределения можно считать актуальной.
Цель диссертационной работы состоит в исследовании и разработке имитационных алгоритмов преобразования сложных когерентных квазинепрерывных радиолокационных сигналов с большой базой в радиолокационном канале (РК) для проведения измерений параметров РЛС в лабораторных и полигонных условиях.
Для реализации поставленной цели автором решаются следующие задачи:
Анализ статистических параметров помех от взволнованной морской
* поверхности и имитационных алгоритмов формирования эхо-сигнала от
цели и помехи от моря.
Разработка метода моделирования сигналоподобной помехи от морской поверхности с заданными характеристиками функции рассеяния для сложно-модулированных когерентных сигналов большой длительности.
Разработка цифровой модели сложного сигнала от цели и помехи и верификация модели.
Сравнительные исследования прохождения сигналов и помех через РК и тракт обработки сигналов с оценкой качественных показателей РЛС по основным параметрам (помехоустойчивости при действии отражений от морской поверхности).
Разработка методик проверки показателей качества систем обработки
* сложных радиолокационных сигналов с использованием разработанных
цифровых моделей сигналов и помех.
Разработка схемных решений имитатора радиолокационных сигналов
микроволнового диапазона и проверка ряда характеристик РЛС со сложным сигналом.
В данной работе принципиальными условиями и ограничениями задачи будут следующие. Первое, не рассматриваются преобразования сигнала в пространственно-временном континууме и, следовательно, не рассматриваются вопросы имитации поляризационной матрицы рассеяния целей [40] (этот вопрос мог бы послужить темой обширного отдельного исследования). Не рассматривается вопрос преобразования радиосигналов в антенных системах. В ряде моделей учитывается только дополнительная модуляция сигналов при сканировании антенн. И второе, не учитываются мультипликативные преобразования сигнала, связанные с распространением сигналов в пространстве (среда распространения — линейна). Однако невозможно решать вторую задачу без понимания физики процесса отражения от сосредоточенной цели (объекта сложной структуры с конечными геометрическими размерами) или распределенной цели без четко ограниченных границ (облака, морская поверхность).
Задача моделирования сигнала от радиолокационной цели и сигналопо-добной помехи сводится к формированию задержки зондирующего сигнала на время, регулируемое в пределах, соответствующих дальности действия когерентной РЛС. Решение даже этой задачи представляет значительные трудности, так как требуемая величина задержки может быть в пределах от нескольких наносекунд до нескольких миллисекунд [64].
Для формирования задержанного сигнала РЛС часто используют обычные генераторы гармонических колебаний. Амплитуду, частоту или фазу когерентного колебания модулируют в соответствии с законом изменения соответствующего параметра зондирующего сигнала. Этот способ позволяет получить практически любую величину задержки и сдвиг по частоте, но не обеспечивает получение сигналов, полностью адекватных сигналам РЛС, особенно в микроволновом диапазоне волн. Поэтому метод не может быть применен для моделирования отражений сложных когерентных сигналов РЛС. Основной трудностью здесь является сложность учета флуктуации частоты и фазы моделируе-
12 мого сигнала и помехи на высокой частоте, для независимых опорных автогенераторов (РЛС и имитатора).
Еще одна трудность возникает при создании модели распределенной сиг-налоподобной помехи на высокой частоте. Существующие в настоящее время модели помех создают путем поквантовой задержки исходного сигнала и соответствующего сдвига частоты для имитации доплеровского рассеяния (задержку осуществляют через время корреляции сигнала). Отметим, что для такой модели ширина спектра помехи практически не отличается от спектра зондирующего сигнала, если доплеровские сдвиги выбраны в соответствии с измеренными по морю. Эта грубая аппроксимация структуры помех приводит к скачкам по частоте и фазе и для ряда алгоритмов обработки возникает иллюзия возможности полной компенсации помехи в алгоритмах, где используют предварительное измерение параметров помехи (амплитуды, частоты, фазы) с последующим воссозданием компенсирующего напряжения с целью когерентной компенсации помехи [23]. Поэтому в работе принята другая концепция моделирования распределенной помехи, в частности помехи от моря. Приближение параметров модели к реальной помехе достигается путем использования формирователя случайного процесса с заданными узкополосным спектром, ПРВ амплитуд и типом нестационарности.
На первом этапе, с целью получения правдоподобных результатов параметры и форму узкополосного спектра отражений от моря устанавливают в соответствии с сечениями функции рассеяния моря на данной дистанции [20], а ПРВ амплитуд - в соответствии с законом распределения амплитуд помехи на этой дистанции. Для сантиметрового диапазона волн в зависимости от волнения полуширина спектра составляет 50 ч-200 Гц [26, 20]. Формы спектра этого случайного процесса могут быть также разные, наиболее распространенные -гауссовские аппроксимации.
На втором этапе производят оцифровку узкополосного процесса с заданными параметрами с помощью комплексных отсчетов, формируя цифровую модель функции рассеяния помехи для каждого сечения по частоте, следующе-
13 го через такт, получая матрицу комплексных векторов помехи для каждого сечения. На третьем этапе на основе матрицы цифровой модели формируют матрицу элементов сложного сигнала путем умножения элементов матрицы комплексных векторов помехи на исходный сигнал. Таким образом, для каждого элемента (вектора помехи) получают составляющие сигналоподобной помехи, которые складывают и получают совокупную цифровую модель сигналоподобной помехи.
Подобным же образом формируют и цифровую модель сложной цели со многими блестящими точками, распределенными по дальности, используя данные о дальностно-доплеровском портрете цели.
Техническая реализация модели следующая. В предлагаемом имитаторе осуществляют перенос исходного сигнала РЛС и сигналоподобной помехи на частоту, близкую к нулю, в квадратурах с помощью фазового детектора, изменения амплитуды, частоты и задержки сигнала в соответствии с законами флуктуации цели и помехи и обратном переносе результата на ту же высокую частоту. Основным условием адекватности преобразований сигнала является достаточная кратковременная стабильность частоты и фазы опорного гетеродина, которая должна быть на порядок лучше стабильности опорного генератора когерентной РЛС.
Новые научные результаты и их достоверность.
Предложен и реализован новый метод построения цифровой модели сложных радиолокационных сигналов, отраженных от сложных целей, и сигна-лоподобных помех на основе функции рассеяния морской поверхности.
В результате анализа и обработки реальных сигналов, отраженных морской поверхностью в трех сантиметровом диапазоне электромагнитных волн, были получены основные статистические характеристики, которые позволили разработать статистическую модель отражений от моря. Исходной характеристикой статистической модели помех от морской поверхности послужила функция рассеяния (ФР) морской поверхности при низком расположении антенны РЛС.
Доказана адекватность цифровой модели помех, формируемой на ЭВМ (ПЭВМ) с реальными данными измерений отражений от морской поверхности на псевдокогерентной РЛС «Лоция-М». Показано, что на основе разработанной модели можно сформировать сигналоподобную помеху с заданными корреляционно-спектральными свойствами, плотностью распределения вероятностей амплитуд и нестационарностью.
Разработана цифровая модель радиолокационного канала с использованием сложного когерентного сигнала произвольной формы, включающая формирователь множества движущихся и неподвижных целей, сигналоподобную помеху с заданной ФР, систему обработки: обнаружитель-измеритель дальности целей на фоне помех и шума приемника при стабилизации ложных тревог.
Практическая ценность диссертационной работы. Новые технические возможности по разработке имитаторов радиолокационных сигналов появились в последнее время в связи с наличием на рынке быстродействующих цифровых процессоров и ЭВМ, высокостабильных СВЧ-генераторов, полосковой техники, используемой для разработки приборов и элементов СВЧ [2, 58]. На имитаторах можно будет проверять различные характеристики РЛС. В частности будут возможны проверки качества алгоритмов формирования и обработки сигнала, характеристик разрешения и точности измерения параметров целей, качество траекторной обработки массива целей, помехоустойчивость и энергопотенциал РЛС и т.д. В настоящее время для такой проверки используют микроволновые ультразвуковые линии задержки СВЧ (например, на кристалле, желе-зо-итриевом гранате), работающие на отражение. Они обладают существенными недостатками: фиксированная задержка малой величины (от 2 до 8 мкс), большие потери при отражении сигнала, отсутствие доплеровского сдвига эхо-сигнала, малая допустимая пиковая и средняя входная мощность сигнала,
большая стоимость (до 2000 -*- 10000 $ USA) [64]. В других типах имитаторов
проверку характеристик систем обработки осуществляют на промежуточных или видео частотах [10, 72]. На фиксированных линиях задержки СВЧ диапазона или линиях задержки, основанных на применении спинового эха [1, 67], не-
15 возможно проверить работу блоков первичной и вторичной обработки сигнала в РЛС совместно, учесть погрешности работы аппаратуры по высокой и сверхвысокой частоте и оценить вклад ошибок каждого блока в общие ошибки системы. В настоящее время приходиться осуществлять проверки РЛС по частям, а не в целом. Поэтому при установке на носителе часто оказывается, что аппаратура РЛС не удовлетворяет оговоренным ранее ТТХ.
В диссертационной работе для проверки ТТХ когерентных РЛС со сложным сигналом большой базы и длительности предлагается новая схемная реализация имитатора, который осуществляет преобразование сигнала РЛС в цифровую форму, трансформацию его при отражении от целей и подстилающей поверхности (моря, земли) и преобразование сигнала и помехи в аналоговую форму.
Произведены сравнительные оценки моделированных пассивных помех с реальными, которые доказали правдоподобность модели. Полученная модель использована в имитаторе микроволнового диапазона.
Предложены методики проверки ряда важнейших показателей РЛС. Для проверки РЛС по параметру помехозащищенности, в работе предложен и технически реализован новый способ формирования сигналоподобной помехи от подстилающей поверхности, гидрометеоров и других точечных и распределенных флуктуирующих целей.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на:
ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ в 2002 - 2004 гг;
научно-технических конференциях НИИ «Прогноз» СПбГЭТУ;
конференции «Информационно-телекоммуникационные технологии», 2004 г. Сочи.
По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 2 статьи [34, 36], 3 тезиса докладов [35,37, 58].
Рекомендации по использованию полученных результатов. Используя
*
предлагаемый автором имитатор, можно будет в заводских условиях выполнить все проверки, заменяющие и сокращающие комплекс полигонных испытаний бортовых и стационарных некогерентных и когерентных РЛС со сложными сигналами большой базы и длительности. Это существенно поможет снизить затраты на их проектирование, разработку и настройку РЛС, например, осуществляя проверки параметров на климатических и других видах испытаний в соответствии с существующими ГОСТами.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Она содержит список использованной литературы, перечень сокращений и условных обозначений.
