Содержание к диссертации
Введение
1 Структурная схема измерителя. модели входных сигналов 10
Выводы 13
2 Синтез и анализ блока измерения средней частоты коррелированной помехи 14
2.1 Апостериорная плотность вероятности частоты коррелированной помехи 15
2.2 Синтез оптимального измерителя средней частоты спектра коррелированной помехи 17
2.3 Дисперсия оценки средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи 23
2.4 Анализ влияния параметров контура измерителя частоты на спектральные характеристики коррелированных помех 27
2.4.1 Плотность распределения сигналов коррелированных помех на выходе фазового детектора 27
2.4.2 Корреляционная функция сигнала коррелированных помех на выходе фазового детектора 29
2.4.3 Анализ влияния параметров контура измерителя средней частоты на статистические характеристики коррелированных помех 31
2.5 Оценка величины динамической ошибки контура измерения средней частоты коррелированной помехи 35
Выводы 41
3 Разработка и исследование чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности на базе квадратурных каналов с подавлением коррелированных помех 42
3.1 Анализ прохождения коррелированной помехи через схему подавления помех системы автоматического измерения дальности ..45
3.2 Анализ прохождения коррелированной помехи через квадратичный детектора системы автоматического измерения дальности 46
3.3 Анализ прохождения коррелированной помехи через строб-каскад системы автоматического измерения дальности.. 47
Выводы 58
4 Цифровое моделирование чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности 59
4.1 Алгоритм моделирования контура измерения средней частоты коррелированного помехового сигнала 59
4.2 Разработка и исследование модели контура измерения средней частоты коррелированного помехового сигнала 60
4.3 Алгоритм моделирования чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности 65
4.4 Разработка и исследование модели чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности 65
Выводы 68
Заключение 70
Приложение
- Структурная схема измерителя. модели входных сигналов
- Апостериорная плотность вероятности частоты коррелированной помехи
- Анализ прохождения коррелированной помехи через схему подавления помех системы автоматического измерения дальности
- Алгоритм моделирования контура измерения средней частоты коррелированного помехового сигнала
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время важным направлением развития систем обработки информации является обеспечение их работоспособности в условиях различного рода помех, априорные сведения о которых отсутствуют. К таким системам можно отнести измерители угловых координат, дальности и скорости объектов, установленные на подвижных носителях.
При этом наиболее опасными являются мощные коррелированные помехи - мешающие сигналы от земной, водной поверхностей и метеообразований, средняя частота спектральной плотности которых, как правило, не известна, а уровень помех может на несколько порядков превышать уровень полезного сигнала.
Решение задачи обработки информации при наличии мощных нестационарных коррелированных помех связано с созданием адаптивных систем, что в свою очередь требует разработки высокоточных измерителей средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи.
Следует отметить, что адаптивные системы являются перспективными системами, позволяющими значительно увеличить подавление помех и тем самым повысить точность измерения параметров сигнала.
В диссертации рассматривается вопрос разработки и исследования чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности, установленной на подвижном носителе, с использованием адаптивных средств подавления коррелированных помех.
Таким образом, тема диссертационной работы, связанная с решением вопроса повышения точности измерения дальности в условиях воздействия мощных коррелированных помех с неизвестной средней частотой спектральной плотности является актуальной.
Целью работы является разработка и исследование чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности с адаптивной системой подавления коррелированных помех.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:
разработка и исследование многоканального измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи;
разработка и исследование помехоустойчивого чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности;
проведение математического моделирования предложенных структур измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи и чувствительного элемента измерителя дальности с адаптивной системой подавления коррелированных помех.
Методы исследования. При выполнении теоретических исследований в диссертационной работе широко используются методы теории случайных процессов и теории вероятности, методы математической статистики и методы общей теории автоматического управления.
При выполнении математического моделирования в работе используются методы вычислительной и дискретной математики, методы статистического моделирования и методы статистической обработки данных.
Основные положения, выносимые на защиту:
синтез и анализ структуры многоканального измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи;
структура и результаты анализа чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности на базе квадратурных каналов с адаптивным блоком подавления коррелированных помех;
алгоритм и результаты математического моделирования чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности с адаптивным блоком подавления коррелированных помех.
Научная новизна работы:
синтез многоканального измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи отличается тем, что позволяет учитывать протяженность коррелированной помехи, ее слабую корреляцию внутри периода повторения и сильную межпериодную корреляцию;
структура и результаты анализа измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи, отличающегося наличием многоканального частотного детектора, что позволяет снизить ошибки измерения средней частоты помехи;
структура, алгоритм синтеза и результаты анализа помехоустойчивого чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности. Чувствительный элемент отличается наличием квадратурной обработки и адаптивных средств подавления коррелированной помехи, обеспечивающих меньшую ошибку измерения дальности.
Практическая ценность полученных в диссертации результатов:
синтезированный измеритель средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи дает возможность реализовать адаптивную систему подавления помех для повышения эффективности работы измерителя дальности и угловых координат;
предложенная структура помехоустойчивого чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности с квадратурной обработкой позволяет повысить точность измерения дальности; полученные в диссертационной работе результаты внедрены в ОАО "НИИ "РАДАР ММС" (г. Санкт-Петербург) в НИЭР "СКОЛ-Л" (в системе
селекции движущихся целей с внутренней когерентностью), в ОАО
"ВНИИРА" (г. Санкт-Петербург) в комплексе "Турбулентность" (в
измерителе скорости движения метеообразований);
- результаты диссертационной работы используются в учебном процессе
Государственного образовательного учреждения высшего
профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения".
Апробация результатов работы. Публикации
Основные положения работы докладывались на ассамблее молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург 2000 г.), международной конференции "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Санкт-Петербург 2002 г.), всероссийской конференции "Современные проблемы радиоэлектроники" (Санкт-Петербург 2004 г.).
Были сделаны доклады на четырех научных сессиях аспирантов и соискателей ГУАП с 2001 по 2004 год.
Основные результаты диссертации опубликованы в двенадцати научных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложений. Работа изложена на 112 страницах машинописного текста и содержит 72 рисунка. Приложения насчитывают 41 страницу. Список литературы содержит 72 наименования.
Структурная схема измерителя. модели входных сигналов
Под общим понятием "коррелированные помехи" [53] обычно объединяются отражения от таких различных физических образований как дождь, снег, облака, ионосфера, поверхность земли или моря. Сигналы отраженные от этих образований имеют шумоподобный случайный характер, сильную межпериодную корреляцию и слабую корреляцию в пределах периода повторения. Средняя частота спектральной плотности коррелированных помех может изменяться по определенному закону. Такие помехи маскируют полезные сигналы, так как обычно намного превосходят их по интенсивности.
Измерение средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи является важной задачей при построения адаптивных к помеховой обстановке систем. Вопрос построения адаптивных к параметрам помех систем, а также синтез и анализ измерителей, как самостоятельных устройств достаточно хорошо изучен в трудах П.А. Бакулева, В.М. Сенаниа, М.Б. Свердлика, В.В. Алникеева, Л.А. Вайнштейна, Ю.В. Иванова, Ю.В. Родионова, А.А. Мальцева, Д.И. Попова, У.Гловера, Ю.Б. Гидаспова и других авторов.
В перечисленных работах вопрос адаптации к неизвестной фазе помехи решается на примерах конкретных устройств выделения сигналов на фоне пассивных помех. Однако в опубликованной литературе отсутствует решение задачи синтеза структуры измерителя средней частоты спектральной плотности протяженной и слабо коррелированной в пределах периода повторения помехи, обладающей сильными межпериодными связями. А также отсутствует анализ влияния параметров измерителя на спектрально-корреляционные характеристики сигналов в тракте обработки информации и в целом на помехозащищенную систему автоматического измерения дальности.
Учитывая сказанное сформулирована цель диссертационной работы: разработка и исследование чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности с адаптивной системой подавления коррелированных помех.
Для достижения поставленной цели необходимо: - разработать и исследовать многоканальный измеритель средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи; - разработать и исследовать помехоустойчивый чувствительный элемент системы автоматического измерения дальности; - провести математическое моделирование предложенных структур измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи и чувствительного элемента измерителя дальности с адаптивной системой подавления коррелированных помех.
Предположим что подвижный носитель (самолет, подводная лодка и пр.) движется с постоянной скоростью. При облучении поверхности частота Доплера отраженного помехового сигнала пропорциональна радиальной скорости движения носителя. Если при этом облучающая антенна вращается по кругу, то частота Доплера отраженного помехового сигнала изменяется по синусоидальному закону. А в случае облучения только передней полусферы частота Доплера отраженного помехового сигнала изменяется по закону модуля косинуса.
Подавление коррелированной помехи реализуется режекторным фильтром, как правило, на нулевой частоте. Для перемещения спектральной плотности коррелированной помехи на нулевую частоту используют систему компенсации (см. укрупненную схему на рисунке 1.1). Помеховый сигнал одновременно с сигналом с перестраиваемого гетеродина подается на фазовый детектор, где сдвигается по частоте. При этом блок вычисления средней частоты определяет среднюю частоту спектральной плотности коррелированной помехи и управляя частотой перестраиваемого гетеродина, устремляет среднюю частоту выходного сигнала фазового детектора к нулю.
Таким образом получаем контур измерения средней частоты спектральной плотности помехового сигнала, характеризующийся двумя основными параметрами: постоянной времени Г и добротностью контура К.
Для уменьшения ошибок измерения частоты в контур вводят априорную информацию о средней частоте спектральной плотности
В пределах одного периода повторения [2] отсчеты коррелированной помехи имеют слабую (внутрипериодную) корреляцию и сильную корреляцию от периода к периоду (межпериодную).
Корреляционная функция межпериодных флюктуации коррелированной помехи имеет вид [66] где Вп(т),Вп]2(т) -корреляционные функции коррелированной помехи и ее квадратурных составляющих; стп, A con, соп — соответственно дисперсия, ширина и средняя частота спектральной плотности межпериодных флюктуации коррелированной помехи.
Апостериорная плотность вероятности частоты коррелированной помехи
Коррелированная помехи является периодической последовательностью протяженных импульсов со слабыми внутрипериодными и сильными межпериодными связями. В реальных условиях оценка частоты помехового сигнала осуществляется на фоне аддитивных нормальных стационарных внутриприемных шумов. В этом случае выходной сигнал устройства записывается в виде Z{t)=s(t)+n{t), (2.1) где s(t) — помеховый сигнал; n{t) — внутриприемный шум со спектральной плотностью N0 Положим, что на протяжении N тактов статистические свойства межпериодных флюктуации сигнала неизменны. Кроме того, в пределах каждого такта выделим отрезок времени Т =Т2—ТХ, в пределах которого статистические свойства внутрипериодных флюктуации также неизменны. В работе [60] показано, что для отрезка квазигармонического сигнала s(t)=Uncos(u)nt+(f){t)),0 t T с функцией корреляции п(т)=5(0 ( +т)=о-2ехр(-ут)со8(а)пт) при времени наблюдения Г »1/у выражение для апостериорной вероятности средней частоты коррелированной помехи имеет вид где Грг(ш) - априорная плотность вероятности средней частоты коррелированной помехи; у — ширина спектральной плотности внутрипериодных флюктуации коррелированной помехи; к — константа; где R{t—t ) - обратная корреляционная функция сигнала; Т0 -период следования зондирующих импульсов. Для случая импульсного режима работы системы, учитывая узкополосность межпериодных флюктуации помехового сигнала, для пачки из N когерентных импульсов сигнал в каждом сечении одного периода повторения можно представить непрерывной функцией времени на интервале наблюдения Поскольку рассматриваемый сигнал в пределах периода повторения коррелирован слабо, то с целью упрощения дальнейших выкладок сделаем непротиворечащие физической картине следующие предположения: сигналы с m соседних участков независимы, стационарны и имеют одинаковые дисперсии, ширину и среднюю частоту спектра. Тогда выражение (2.4) принимает вид спектра межпериодных флюктуации помехового сигнала.
Анализ прохождения коррелированной помехи через схему подавления помех системы автоматического измерения дальности
Система подавления коррелированных помех может строиться на базе как однократной, так и двукратной схемы череспериодного вычитания. Проведем анализ обоих вариантов. Двухкратная схема череспериодного вычитания является линейным устройством. Корреляционная функция компоненты сигнала на ее выходе связана с корреляционной функцией на входе уравнением [56] что является справедливым как для корреляционных, так и взаимокорреляционных функций всех каналов чувствительного элемента дальности + B Однократная схема череспериодного вычитания также является линейным устройством. Корреляционная функция компоненты сигнала на ее выходе имеет вид „чпві (Т)=2ВФЛ (т)-ВФП (т+Т )-ВФП (т-Т ) (3.2) После прохождения квадратичного детектора форма огибающей импульса не изменяется, но его эффективная длительность уменьшается в лІ2 раз. В этом случае полезный сигнал на выходе интеграторов будет определятся теми же формулами (3.1), (3.2), куда вместо длительности огибающей импульса сигнала нужно подставить тс Л/2. Связь между функциями корреляции межпериодных флюктуации напряжения на входе и выходе квадратичного детектора устанавливается уравнением [66] Таким образом получим Строб-каскад и интегратор (экстраполятор нулевого порядка) является линейным устройством, не влияющим на межпериодную корреляцию сигналов и изменяющим лишь дисперсии сигналов. Напряжения на выходах интеграторов для опережающего и„р1 и запаздывающего истр2 стробов равны г и12(Ат)=$ u„(t)h(t±- -AT)dt, о z где 7 — расстояние между центрами стробов; h(t) — весовая функция (огибающая строба); Лт — временное рассогласование между импульсом полезного сигала и осью симметрии стробов. В работе [66] показано, что если импульс полезного сигнала и стробы имеют форму гауссовых кривых с эффективными длительностями тс и т uc(t)=Ucexp{Ct2/T2c), (3.4) h{t)= ехр(-тг/2/тс2тр), стр тогда напряжения сигнала на выходах интеграторов равны ил{Ат)=исМ,(Дт), ис2(Лт)=исМ2(Лт), (3.5) где Т /2 ±Лт стр — — 7Т 2,2 Т +Т 1 с стр т (3.6) М1Л{Дт)= , 2 с 2 ехр VTC + TCTP При малых Лт выражение (3.6) можно преобразовать к виду М,(4т) = М0(1+Мт), М2(Лт)=М0(\-цЛт), (3.7) где 48 ц=тг стр / 2 . 2 \ (Т"с + Тстр) (3.8) Vr!+ м0= ехр . т с стр стр тг Т Т +Т с стр (3.9) При прохождении строб-каскада корреляционные функции изменяются следующим образом (ЗЛО) ВІ 2(т)=М2ІЛВс(т), Вп(т)=Рп0Вп(т), Вш(т)=Рш0Вш(т), В\\т)=Мх М2 Вкї2(т), В]2(т)=рп12Впі2(т), где рп0,рпП,р1и0,рш12 - коэффициенты усреднения равные 1 1 РшО Vl+2(r /тс)2 Ш Ь+2(Л/Т) упч стр; РпО = - {Af Т )2 —тт- Рп12 = РпОЄХР \ У упч стр / 1+ /упч(т„+2тс2тр) Подставляя (ЗЛО) в формулу (3.3), получим выражения корреляционных функций межпериодных флюктуации в каналах дальности CKI-2(T)=2(M;,2Br(T))2+2(p„0Bn4nB(T))2+2(p,„0Br(T))2+ + 4 МЪРмвГ(т)вГ(т)+4 2рш0Вс(т)вГ(т)+ +4 РпоРш0вГ(т)вГ(т). Sf2K1-2(T)=2(M;,2B(T))2+2(p„0Br(T))2+4M22Pn0CB(T)S„T(T). (3.11) Проанализируем работу всей схемы чувствительного элемента включая сумматоры и вычитающее устройство.
Алгоритм моделирования контура измерения средней частоты коррелированного помехового сигнала
В генераторе случайных чисел (см. рисунок 4.1), для каждого канала дальности, формируются независимые отсчеты случайных чисел распределенных равномерно. В корреляторе отсчеты преобразуются таким образом, чтобы между ними существовала необходимая корреляционная связь. Таким образом получаем коррелированную помеху на нулевой частоте. В генераторе частоты формируются отсчеты синусоидального и косинусоидального гармонического сигнала - квадратурные составляющие с помощью которых происходит перенос отсчетов коррелированной помехи на частоту Доплера. Сформированные отсчеты коррелированной помехи с ненулевой средней частотой спектральной плотности подаются на многоканальный преобразователь частоты. В тоже время на МПЧ подаются отсчеты гармонических квадратур с перестраиваемого генератора частоты, частота которых, в идеальном случае, совпадает с средней частотой коррелированной помехи. На выходе многоканального преобразователя частоты получаем отсчеты коррелированной помехи средняя частота которой, в идеальном случае, равна нулю. Многоканальный частотный дискриминатор вычисляет среднюю частоту спектральной плотности отсчетов подающихся на его вход. В сумматоре полученные средние частоты по каналам усредняются. Полученное значение средней частоты коррелированной помехи через интегратор управляет частотой перестраиваемого гетеродина, устремляя к ігулю среднюю частоту коррелированной помехи на выходе многоканального преобразователя частоты. С помощью имитатора формируются коррелированные отсчеты квадратур узкополосной коррелированной помехи с т разрешаемых участков дальности. Для этого в генераторе случайных чисел вырабатываются I независимых отсчетов чисел [/] и y[i], распределенных равномерно на интервале [-1,1] (дискретный белый шум) где /=[1,/]. Далее в корреляторе методом скользящего суммирования с весом с[к] вводится корреляция между отсчетами. При этом весовые коэффициенты рассчитываются по формуле [11] где сг — среднеквадратическое значение помехи, у — коэффициент межпериодной корреляции помехи, к — номер весового коэффициента. Для получения одного коррелированного отсчета берутся Z некоррелированных отсчетов до и после текущего отсчета. При этом длина полученной реализации коррелированной помехи с одного разрешаемого участка дальности равна N=I—(2Z+\). В результате коррелированные отсчеты квадратурных составляющих помехового сигнала находятся из выражения [11] где n=[l,N] — отсчеты реализации; /=[l,/w] — номер канала дальности. С целью снижения боковых лепестков спектральной плотности моделируемого случайного процесса на реализацию (4.2) накладывается экспоненциальная огибающая [62]. При этом квадратурные составляющие помехового сигнала определяются выражением г ,1 г п / {n-Nll)2\ sx,y[n,l\=sxy[n,l\-exp\ — , (4.3) где (Т0 — зависит от длинны реализации N. В общем виде средняя частота спектральной плотности коррелированной помехи отлична от нуля. Для этого отсчеты помехового сигнала (4.3) перемножается с опорным гармоническим сигналом имеющим частоту соп. Помеховый сигнал подается на преобразователь частоты ПЧ вместе с опорным сигналом вырабатываемым генератором ГЧ имеющим вид где соп — средняя частота спектральной плотности коррелированной помехи, Тп — период следования отсчетов помехового сигнала. При этом для переноса спектра смоделированного сигнала на частоту соп использован следующий алгоритм помехового сигнала (4.4) далее подаются в МПЧ компенсатора частоты o)I(, где перемножаются с опорным сигналом вырабатываемым ПГЧ. В выражении (4.5) р[п] — текущая фаза опорного сигнала. Для компенсация средней частоты коррелированной помехи используется алгоритм (4.4)
Похожие диссертации на Повышение помехоустойчивости системы автоматического измерения дальности в условиях нестационарных помех
