Содержание к диссертации
Введение 6
Обзор известных алгоритмов обнаружения сигналов и анализ их применения для обнаружения СШП радиолокационных сигналов , 14
Алгоритмы обнаружения СШП радиолокационных эхосигналов неизвестной формы 20
Синтез оптимального алгоритма обнаружения периодического сигнала неизвестной формы 20
Квазиоптимальные алгоритмы обнаружения периодического
сигнала неизвестной формы 25
2.3 Определение параметров распределения величин на выходе
оптимального и квазиоптимальных обнаружителей СШП
радиолокационных сигналов 29
2.3.1 Определение параметров распределения величин на
выходе оптимального обнаружителя периодических
сигналов неизвестной формы 30
2.3.2 Определение параметров распределения величин на
выходе энергетического обнаружителя с накоплением 34
2.3.3 Определение параметров распределения величин на
выходе ЧПКО с накоплением 37
2.3.4 Параметры распределения величин на выходе
оптимального алгоритма обнаружения
детерминированного сигнала 40
2.4 Выводы по результатам второй главы 41
3. Математическое и имитационное моделирование процессов на
выходе обнаружителей СШП радиолокационных сигналов 43
Описание математической модели 43
Описание имитационной модели 45
Модель шума ;., 47
Модель сигналов 55
Интерфейс программы моделирования 59
Исследование ошибок математической модели 74
Исследование ошибок имитационной модели 76
Анализ сигналов и их распределений на выходе устройств
обработки сигнала при помощи имитационного моделирования 83
Анализ осциллограмм сигналов на выходе устройств обнаружения 83
Качественные показатели распределения процессов на
выходе устройств обнаружения ООНС, ЧПКО и ЭО 85
3.7 Анализ характеристик обнаружения 92
3.7.1 Постановка задач моделирования характеристик
обнаружения 92
Влияние длительности импульсов пачки на характеристики обнаружения устройств ООНС, ЧПКО и ЭО. Результаты математического моделирования 95
Влияние длительности импульсов пачки на характеристики обнаружения устройств ООНС, ЧПКО и ЭО. Результаты имитационного моделирования 98
Влияние количества импульсов пачки на характеристики обнаружения устройств ООНС, ЧПКО и ЭО. Результаты математического моделирования 100
Влияние количества импульсов пачки на характеристики обнаружения устройств ООНС, ЧПКО и ЭО. Результаты имитационного моделирования 103
Влияние корреляции импульсов пачки на характеристики обнаружения устройств ООНС, ЧПКО и ЭО. Результаты имитационного моделирования 105
3.8 Выводы по результатам моделирования 109
4. Описание проведения экспериментов и анализ полученных
экспериментальных данных 113
4.1 Технические трудности реализации экспериментов по
обработке сигналов по алгоритмам ООНС и ЧПКО 113
4.2 Эксперимент по зондированию имитируемой многоточечной
цели коротким СШП импульсом 117
Описание эксперимента 117
Обработка и анализ результатов эксперимента 123
4.3 Эксперимент по измерению движущихся объектов с помощью
импульсно-доплеровского короткоимпульсного СШП
радиолокационного измерителя , 140
Описание радиолокационного измерителя 140
Описание эксперимента 146
Обработка и анализ результатов эксперимента , 148
4.4 Выводы по результатам проведенных экспериментов 153
Заключение 156
Библиографический список 165
5 Список условных сокращений
АКФ - автокорреляционная функция
АЦП - аналогово-цифровой преобразователь
СШП - сверхширокополосный
КОС - коррелятор с опорным сигналом
МО - математическое ожидание
МПРЛС - многопозиционная радиолокационная система
МШУ - малошумящий усилитель
ООНС - оптимальный обнаружитель неизвестного сигнала
ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема
ПОСУ - плата обработки сигнала и управления
ПУ - пороговое устройство
ПФ - полосовой фильтр
РИ - радиолокационный измеритель
РЛС - радиолокационная станция
ССГ - сигнал синхронизации генератора
СКО - среднеквадратическое отклонение
СФ - согласованный фильтр
СФОИ - согласованный фильтр на одиночный импульс
ТГ - тактовый генератор
УЛЗ - управляемая линия задержки
УПЧ - усилитель промежуточной частоты
ФОИ - формирователь опорного импульса
ФНЧ - фильтр нижних частот
ЧПКО - череспериодный корреляционный обнаружитель
ЭВМ - электронно-вычислительная машина
ЭО - энергетический обнаружитель
USB - universal serial bus
Введение к работе
Актуальность работы
Традиционно в радиолокации в качестве зондирующих сигналов применяются импульсные или непрерывные сигналы с узкой полосой частот. Стремление улучшить характеристики РЛС с целью получения большей информации о зондируемых объектах привело к использованию в радиолокации широкополосных и сверхширокополосных сигналов, обладающих большой относительной полосой частот. Относительная полоса
, где fB, ін - верхняя и
J В ~ JH
частот сигнала Т| определяется выражением: tj
/в+/н
нижняя граничные частоты в спектре сигнала.
Согласно определению DARPA1 сигналы, имеющие значение относительной ширины полосы частот: rj>0.25, считаются сверхширокополосными (СШП).
Существует несколько типов сигналов, способных удовлетворять данному
условию. Одним из самых распространенных типов СШП сигналов являются
импульсы малой длительности (порядка наносекунды или долей наносекунды).
Такие сигналы формируются путем возбуждения сверхширокополосной
передающей антенны коротким видео или
биполярным импульсом. Примеры осциллограмм
таких СШП сигналов, полученные
экспериментальным путем, представлены на рисунке
1. Далее проблемы, рассматриваемые в этой работе,
относятся именно к этому типу СШП сигналов. Такие
сигналы сложно характеризовать параметрами,
свойственными узкополосным сигналам (например,
несущей частотой). В общем случае такие сигналы * 11РимеРы
короткоимпульсных
сверхширокополосных
1 Управление перспективных исследований и разработок министерства обороны США, The Defense Advanced Research Projects Agency ().
сигналов.
характеризуются формой - зависимостью напряженности поля сигнала от времени.
мпульс ювання
СШП импульс зондирования І
Рис. 2. СШП эхосигналы, от отражателей с частотными характеристиками, отличными от спектра сигнала.
Особенностью использования СШП сигналов в качестве зондирующих импульсов РЛС является непредсказуемое изменение формы и длительности эхосигнала в процессе зондирования цели, в том случае, когда частотные и поляризационные характеристики одного или нескольких разрешаемых по дальности отражателей существенно отличаются от спектра и поляризации сигнала. Такая цель в дальнейшем именуется сложной целью. На рисунке 2 приведены примеры отражений от двух блестящих точек, имеющие разную форму при облучении одним и тем же импульсом зондирования.
Цели, зондируемые СШП сигналами, как правило, являются сложными и состоят из нескольких разрешаемых по дальности отражателей. Это приводит к увеличению длительности эхосигнала т=217с, где L -радиальная (относительно РЛС) протяженность цели. Такой сигнал называют также портретом цели.
Так как портрет цели на входе приемника из-за неизвестных характеристик отражателей неизвестен, то применение алгоритмов обнаружения сигнала, основанных на априорных знаниях о форме сигнала (корреляционная обработка, согласованная фильтрация) или использующих его некоторые формообразующие параметры (например, значение несущей частоты), в данном случае невозможно. Таким образом, задача оптимального обнаружения сигнала неизвестной формы требует поиска новых алгоритмов обработки.
В связи с вышесказанным, поиск и анализ алгоритмов, способных решать задачу оптимального обнаружения сигналов неизвестной формы является актуальным.
8 Цель работы
Поиск и исследование новых алгоритмов обнаружения периодических сверхширокополосных радиолокационных эхосигналов неизвестной формы.
Основные задачи работы:
Анализ существующих алгоритмов обнаружения сигналов и возможности их использования для обнаружения радиолокационных эхосигналов неизвестной формы.
Синтез оптимального алгоритма обнаружения периодического сигнала неизвестной формы на фоне белого гауссова шума. Анализ полученного алгоритма и синтез квазиоптимальных алгоритмов обнаружения периодического сигнала неизвестной формы. Определение параметров распределения величин на выходе обнаружителей при гауссовом приближении. Создание компьютерной программы математического и имитационного моделирования алгоритмов обнаружения периодических сигналов неизвестной формы. Анализ ошибок и погрешностей моделей, реализованных в программе.
Математическое и имитационное моделирование обнаружителей периодического сигнала неизвестной формы на фоне белого гауссова шума при различных параметрах сигнала. Анализ полученных результатов моделирования.
Проведение экспериментов с использованием сверхширокополосных радиолокационных устройств. Описание радиолокационных устройств, анализ результатов экспериментов.
Предмет исследования
Предметом исследования является обработка эхосигналов неизвестной формы в приемнике сверхширокополосной радиолокационной системы.
Объект исследования
Объектом исследования являются алгоритмы обнаружения периодических радиолокационных эхосигналов неизвестной формы на фоне белого гауссова шума.
9 Методы исследования
Решение поставленных задач осуществляется с использованием методов статистической радиотехники и корреляционного анализа, математического и имитационного моделирования, экспериментальными исследованиями.
Научная новизна
Описаны новые оптимальный и квазиоптимальный алгоритмы обнаружения периодических эхосигналов неизвестной формы не фоне белого гауссова шума. Получены параметры распределений на выходе обнаружителей, реализующих данные алгоритмы при гауссовом приближении.
Создана программа, сочетающая в себе возможности математического и имитационного моделирования обнаружителей периодических эхосигналов неизвестной формы на фоне белого гауссова шума. В программе, наряду с известными алгоритмами генерации шумовых последовательностей, предложен новый алгоритм генерации гауссова шума, позволяющий получить точное соответствие распределения заданного и имитируемого шумов при малой длине выборки. Наряду с этим в модели реализован новый алгоритм формирования периодического сигнала с заданным уровнем корреляции соседних импульсов.
Получены качественные показатели и количественные значения эффективности предложенных алгоритмов обнаружения периодического эхосигнала неизвестной формы на фоне белого гауссова шума при различных параметрах сигнала: длительности импульсов, количестве импульсов в пачке, уровне корреляции соседних импульсов пачки.
Приведены новые экспериментальные результаты, полученные с использованием сверхширокополосных радиолокационных систем.
Практическая ценность и значимость
Предложены алгоритмы, позволяющие наиболее эффективно решить задачу обнаружения периодических эхосигналов неизвестной формы на фоне белого гауссова шума.
Исследование предложенных алгоритмов с помощью математического и имитационного моделирования позволяет сравнить их эффективность в различных ситуациях. Получены оценки эффективности применения того или иного алгоритма, позволяющие оценить выигрыш или потери в эффективности выбранного алгоритма по отношению к другим алгоритмам в зависимости от параметров сигнала (длительности импульсов, количества импульсов, корреляции соседних импульсов).
Реализованные в программе моделирования алгоритмы обработки сигнала позволяют оценить вычислительные затраты на обработку сигнала. Это имеет большое значение при выборе алгоритма с учетом вычислительных ресурсов системы и при реализации потокового (в реальном времени) процесса обработки сигнала.
Достоверность
Обоснованность научных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, подтверждается использованием апробированных методов статистического анализа и высокой степенью совпадения результатов математического и имитационного моделирования.
Использование результатов работы
Предложенные алгоритмы и результаты математического и имитационного моделирования использовались в следующих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, выполненных в Московском авиационной институте:
НИР «Обоснование технических решений и технологий создания сверхширокополосных радиолокаторов с электронно-управляемыми характеристиками антенн». Шифр «Спрос-1». Заказчик: в/ч 44386.
НИР «Поисковые исследования по разработке новых методов распознания объектов при зондировании мощными импульсами
сверхширокополосного излучения». Шифр «Штарк». Заказчик: Секция прикладных проблем при президиуме РАН.
НИР «Исследование возможностей формирования и приема сверхширокополосных сигналов». Шифр «Нуклон». Заказчик: в/ч 71330.
НИР «Экспериментальное исследование возможности получения дальностных портретов целей с высоким разрешением на макете сверхширокополосной РЛС». Шифр «Слон-М». Заказчик: НИИРЛ МГТУ им. Баумана.
ОКР «Радиолокационная станция для поиска людей в условиях отсутствия прямой оптической видимости». Шифр «Заболонь-АР». Заказчик: в/ч 11135.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
2-я международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применения». Россия, Москва, 21-24 сентября 1999.
5-я международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применения». Россия, Москва, 12-14 марта 2003.
Всероссийская научная конференция «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике». Россия, Муром, 1-3 июля 2003.
4.2-я международная конференция «Сверхширокополосные и сверхкороткие импульсные сигналы». Украина, Севастополь, 19-22 сентября 2004.
5. 1-я международная конференция «Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике». Россия, Суздаль, 27-29 сентября, 2005.
12 Публикации
По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано шесть печатных работ - материалы докладов на международных и всероссийских конференциях.
Положения, выносимые на защиту
Приведенные результаты экспериментов обосновывают изменение формы сверхширокополосного сигнала при его отражении от цели, блестящие точки которой имеют частотные и поляризационные характеристики, отличные от спектра и поляризации зондирующего сигнала.
Синтезированные оптимальный и квазиоптимальный алгоритмы обнаружения пачки сверхширокополосных эхосигналов неизвестной формы обеспечивают наиболее высокое качество обнаружения по сравнению с другими известными методами обнаружения неизвестных сигналов.
Разработанные математическая и имитационная модели систем оптимальной и квазиоптимальной обработки пачки сверхширокополосных сигналов неизвестной формы позволяют провести сравнительный анализ предложенных и известных алгоритмов обнаружения при различных параметрах сигнала.
Экспериментально показана эффективность использования сверхширокополосных сигналов для решения задач обнаружения, распознавания и точного измерения скорости и местоположения движущихся объектов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, включающего 60 источников. Основная часть работы изложена на 170 страницах машинописного текста. Работа содержит 130 рисунков, 14 таблиц и 125 формул.
В первой главе диссертации произведен обзор известных методов обнаружения радиолокационных сигналов на фоне шумов и дан анализ возможности их применения для обнаружения СШП сигналов.
Во второй главе приведено описание синтеза оптимального алгоритма обнаружения периодического сигнала неизвестной формы на фоне гауссовского шума. Рассмотрены квазиоптимальные алгоритмы обнаружения периодического сигнала неизвестной формы на фоне гауссовского шума -череспериодная корреляционная обработка сигнала и энергетический обнаружитель. Приведены результаты теоретического исследования параметров распределения величин на выходе рассматриваемых обнаружителей.
В третьей главе производится анализ и сравнение эффективности алгоритмов обнаружения сигналов неизвестной формы с помощью математического и имитационного моделирования. Математическое моделирование позволило провести исследование эффективности алгоритмов обнаружения на интервале параметров, недоступном для имитационного моделирования (при уровне ложных тревог менее 10"4). Имитационное моделирование позволило провести исследование эффективности алгоритмов на интервале параметров, где допущения математической модели дают высокий уровень ошибок (небольшие длительности сигналов). Приведено описание разработанной автором программы моделирования.
В четвертой главе приводятся результаты двух экспериментов с использованием созданных макетов СШП РЛС. Приводятся описания макетов РЛС, условия проведения экспериментов и результаты измерений.
