Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ известных методов обнаружения объектов на фоне отражений от подстилающей поверхности земли 11
1.1. Алгоритмы на основе селекции движущихся целей 11
1.2. Алгоритм обнаружения целей в приповерхностном слое на основе моноимпульсной РЛС с мгновенной АРУ 13
1.3 Пространственно-временной метод контроля параметров движения масс на границах раздела сред 16
1.4 Пространственно-временной компенсатор донных отражений при наклонной гидролокации 18
1.5 Перспективное направление развития радиолокации - MIMO 20
1.5. Выводы 22
Глава 2. Модели и сигналы 23
2.1. Модель отражающей поверхности 24
2.2. Геометрическая модель взаимного расположения носителя и подстилающей поверхности 25
2.3. Модели сигналов 26
2.4. Функции неопределенности сигналов 31
2.5. Выводы 42
Глава 3. Алгоритмы обработки пространственно временных сигналов на фоне отражений от поверхности 43
3.1. Основные методы для подавления пассивной помехи 43
3.2. Формирование подавления по всей отражающей поверхности 3.3. Применение системы MIMO для формирования эквивалентной диаграммы направленности 47
3.4. Использование собственных векторов для формирования нулевых значений в эквивалентной ДН 52
3.5 Структурная схема операций над принятым сигналом 57
Глава 4. Результаты машинного моделирования алгоритмов и эффективность их использования . 60
4.1. Результаты эффективности использования двухточечной аппроксимации отражающего участка поверхности 60
4.2. Эффективность системы MIMO по сравнению с простой системой... 64
4.3.Влияние разнесения сигналов по частоте для обеспечения системы MIMO на параметры диаграмм направленностей в различных ситуациях. 72
4.4. Влияние на обобщенную функцию неопределенности системы MIMO
доплеровского приращения частоты 74
4.5 Выбор оптимальных параметров системы MIMO при формировании двух нулевых значений эквивалентной ДН 80
4.6 Расчет характеристик обнаружения 87
4.7 Анализ количества элементов дальности 90
4.8 Выводы 93
Заключение 94
Список использованной литературы
- Пространственно-временной метод контроля параметров движения масс на границах раздела сред
- Геометрическая модель взаимного расположения носителя и подстилающей поверхности
- Использование собственных векторов для формирования нулевых значений в эквивалентной ДН
- Эффективность системы MIMO по сравнению с простой системой...
Введение к работе
Актуальность работы.
Анализ результатов зарубежных и отечественных исследований показывает, что одним из основных направлений совершенствования радиолокационных систем является разработка новых методов обнаружения малозаметных воздушных и наземных (морских) объектов, а также поиск новых систем обработки радиолокационных сигналов на фоне отражений от подстилающей поверхности.
Наиболее распространенным способом обнаружения движущихся объектов на фоне помехи, обусловленной отражениями от поверхности раздела сред, является использование различий в доплеровском приращении частоты эхосигнала от объекта и пассивной помехи.
Однако расположение неподвижного объекта вблизи отражающей поверхности снижает эффективность доплеровских методов селекции таких объектов. В тоже время, наличие пространственных отличий объекта и поверхности при ее наклонном облучении позволяет применить пространственно-временные цифровые алгоритмы обнаружения объектов на основе пространственной фильтрации сигналов на выходах антенной решетки. Такая возможность сохраняется и при совпадении временных и спектральных характеристик полезных и помеховых сигналов в условиях, когда неэффективные временные или спектральные алгоритмы обработки сигналов с целью обнаружения объектов на фоне мощных отражений от поверхности.
Такие методы и алгоритмы разрабатывались и исследовались рядом отечественных (Ширман Я.Д., Стратонович и др.) и зарубежных ученых (Монзинго, Миллер и др.). Однако, в их работах не нашли должного отражения MIMO-системы (Multiply Input – Multiply Output), основанные на использовании активных фазированных антенных решеток (АФАР), излучающих семейство сигналов для одновременного повышения разрешающей способности по дальности, радиальной скорости и угловой координаты. Для анализа потенциальных характеристик таких систем сигналов используется обобщенная функция неопределенности MIMO-радаров, введенная в трудах зарубежных ученых, например в коллективной монографии «MIMO-radar» под редакцией Jan Li и Petre Stoica.
Необходимо отметить, что практика применения современных методов и техники противодействия радиолокационному обнаружению показала, что эффективную поверхность рассеяния (ЭПР) объектов, выполненных по особой технологии, можно снизить существенно. Поэтому традиционные методы радиолокации в условиях противодействия обнаружению и распознаванию уже недостаточно эффективны, в связи с чем перспективен поиск новых методов надежного обнаружения и распознавания объектов любого класса на фоне пассивной помехи, обусловленной отражениями от поверхности. Примером может быть носители РЛС, следящие за профилем поверхности или выполняющее какие-либо другие задачи, а также обнаружение препятствий при полете с огибанием рельефа местности. К перспективным методам современной радиолокации, позволяющим эффективно обеспечивать обнаружение и распознавание любого класса объектов, относят:
– использование широкополосных или сверхширокополосных сигналов;
– обнаружение объектов и определение их координат по анализу собственного радиотеплового излучения (пассивная локация);
– комплексное применение активных и пассивных радиотехнических систем;
– использование в системах различных диапазонов радиоволн (в том числе и редко применяемых для данных целей) и др.
При обнаружении низкорасположенных объектов временные и спектральные характеристики эхосигналов от них и пассивных помех мало отличаются. Поэтому прямое применение спектральных методов не даст результатов. Необходимо использовать дополнительные отличительные признаки для обнаружения. Одними из таких признаков могут быть пространственные различия объектов и поверхностей или сочетание доплеровского эффекта с пространственными различиями, что позволяет обнаруживать медленно движущиеся объекты. Поэтому основной задачей становится подавление пассивной помехи на основе ее пространственной корреляции в каналах приемного устройства в совпадающие моменты времени.
Отражения от малоразмерного объекта, находящегося в приповерхностном слое, изменяют пространственную коррелированность сигналов в соседних каналах антенной решетки, и это может служить признаком для различения эхосиг-нала от цели на фоне пассивной помехи.
При наклонном облучении плоской отражающей поверхности (или с гладким рельефом) отражения приходят в пределах диаграммы направленности в угломестной плоскости последовательно во времени и с изменяющихся во времени направлений в процессе формирования отражений. Отражения приходят одновременно: от цели и отражающего участка поверхности, соответствующего импульсному объему, спроецированному на поверхность, с той же дальностью в пределах диаграммы направленности в угломестной плоскости. В этом случае угломестное положение отражающей системы: цель-участок поверхности отличается от угломестного положения этого участка, что может служить признаком для обнаружения цели на фоне мощных отражений от поверхности.
На основе известных направлений на одновременно отражающие участки поверхности в пределах интервала разрешения по углу места, можно произвести компенсацию отражений от поверхности, используя значения парциальных диаграмм направленности, соответствующие угловому положению каждого одновременно отражающего участка поверхности. Отражения от объекта, находящегося вблизи поверхности для импульсных РЛС, не будут скомпенсированы, и объект будет обнаружен.
Целью диссертационной работы является повышение отношения сигнал-помеха плюс шум в приповерхностной локации медленно движущегося малоразмерного объекта на основе применения принципов MIMO-локации.
Задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:
1. Произвести выбор и анализ системы сигналов для MIMO-системы на основе
обобщенной функции неопределенности, характеризующей семейство сиг
налов по разрешающей способности одновременно по дальности, доплеров-
скому приращению частоты и угловой координате.
-
Выбрать и обосновать параметры системы MIMO для эффективного подавления пассивной помехи.
-
Разработать адаптивный алгоритм обнаружения объектов в приповерхностном слое на основе обработки пространственно-временных сигналов.
4. Оценить сравнительную эффективность алгоритма.
Объектом исследования являются отраженные радиолокационные сигналы, в аддитивной смеси с пассивной помехой, обусловленной отражениями от подстилающей поверхности.
Предметом исследования являются методы обработки пространственно-временных отраженных радиолокационных сигналов с целью повышения помехоустойчивости РЛС.
Методы исследования основаны на теории обработки пространственно-временных сигналов в радиолокации. Использованы методы компьютерного моделирования, цифровой обработки сигналов, статистической радиотехники и теория радиолокации. Численные расчеты и компьютерное моделирование выполнено в программной среде MATLAB.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
-
Предложено использовать современное технологическое решение в виде системы MIMO для радиолокационных целей.
-
Предложен инструмент анализа системы сигналов MIMO с помощью обобщенной функции неопределенности с пространственной координатой (угол места).
-
Проведен анализ обобщенных функций неопределенности для радиолокационных сигналов, обеспечивающих функционирование системы MIMO.
-
Предложен алгоритм формирования «скользящего» нулевого значения эквивалентной диаграммы направленности системы MIMO вдоль подстилающей поверхности в процессе формирования отражений от нее при наклонном зондировании.
Практическая значимость работы
Использование системы MIMO с семейством ортогональных сигналов (разнесенных по частоте и по пространству) показало, что ее применение расширяет зону равномерного радиолокационного облучения на 2-2,5 при использовании парциальной диаграммы направленности шириной 6.
Система MIMO эффективнее подавляет помеху при наклонном облучении, когда по предложенному алгоритму производится отклонение нулевого значения эквивалентной ДН от равносигнального направления (РСН) вниз (к перпендикуляру к поверхности). Эффективность увеличивается с увеличением отклонения от РСН и достигает 10 дБ в крайнем положении. При отклонении нулевого значения эквивалентной ДН вверх по углу места (от поверхности), эффективность системы MIMO достигается за счет, недостаточно широкой суммарной ДН в этой области у простой системы.
Применение алгоритма формирования двух нулевых значений эквивалентной ДН в отражающем участке одного элемента разрешения по дальности позволяет повысить отношение сигнал-помеха до 30 дБ.
Положения, выносимые на защиту:
1. Анализ обобщенных функций неопределенности выявил, что суммарная
диаграмма направленности системы MIMO расширяется по углу по сравнению с аналогичной диаграммой направленности системы SIMO (Single Input Multiple Output).
-
Анализ обобщенных функций неопределенности показал, что формирование нулевых значений эквивалентной ДН при отклонении от равносигналь-ного направления (РСН) у системы MIMO приводит к повышению отношения сигнал-помеха относительно системы SIMO.
-
Формирование двух нулевых значений эквивалентной диаграммы направленности в направлении на одновременно отражающий участок одного элемента разрешения по дальности может увеличить отношение сигнал-помеха, в некоторых случаях до 30 дБ. Внедрение результатов работы. Полученные в работе результаты приняты
к внедрению в учебный процесс на кафедре Теоретических основ радиотехники Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге для дисциплин: «Радиотехнические цепи и сигналы», «Современные алгоритмы обработки сигналов», «Алгоритмы обработки пространственно-временных сигналов» по направлениям «Радиотехника» подготовки инженеров и магистров. Также результаты диссертационной работы внедрены в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Инженерно-технологической академии Южного федерального университета» при выполнении научных работ на кафедре теоретических основ радиотехники по г/б НИР 301*38-11/2013-3, а также используются в разработках Научно-конструкторского бюро цифровой обработки сигналов ЮФУ.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях.
X Всероссийская научная конференция молодых ученых, студентов и аспи
рантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления»,
2010 г., Таганрог.
Всероссийская научная конференция «Современные исследовательские и образовательные технологии», 2010 г., Таганрог.
Международная научная конференция «Перспективы развития гуманитарных технических систем», 2011 г., Таганрог.
XI Всероссийская научная конференция молодых ученых, студентов и ас
пирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления»,
2012 г., Таганрог.
Международная научная конференция «Инновационные процессы в гуманитарных, естественных и технических системах», 2012 г., Таганрог.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей, в том числе 2 из них в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ.
Структура диссертационной работы. Диссертационная работа написана на русском языке, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 121 страницах, из которых 93 машинописных страниц, 54 рисунка, 32 таблиц и списка литературы из 50 наименований.
Пространственно-временной метод контроля параметров движения масс на границах раздела сред
В основу данного алгоритма положены пространственные свойства диаграммы направленности. Поскольку антенная система характеризуется диаграммой направленности, сама по себе она не воспринимает количество различных источников принятого сигнала. В каждый момент времени несколько источников одинаковых сигналов (отраженные сигналы, при едином зондирующем импульсе) будут восприниматься как один, принятый с направления энергетического центра источников.
Бортовая РЛС производит сканирование сектора угломестной плоскости моноимпульсным методом [14, 21]. Она формирует две амплитудные диаграммы направленности, с разнесенными на некоторый угол максимумами. Как правило, диаграммы направленности пересекаются по уровню 0,707, но могут быть и другие варианты. Приемные каналы образуют суммарный и разностный канал (сигнал). Эти два сигнала поступают на угловой дискриминатор. Угловой дискриминатор выполнен согласно формуле J; = -4cos( A- E), где АА - амплитуда сигнала с выхода разностного канала, А - амплитуда сигнала с выхода суммарного канала, р , р - соответствующие им фазы.
Метод обнаружения малоразмерных объектов на фоне отражений от подстилающей поверхности на основе моноимпульсной РЛС с мгновенной автоматической регулировкой усиления (МАРУ) заключается в следующем. Для обработки сигналов используются суммарный канал и канал с выхода дискриминатора. На рис. 1.2 схематично показан сигнал на выходе суммарного канала.
Задается порог обнаружения отражений. После излучения зондирующего импульса, выход суммарного канала сравнивается с этим порогом. Когда происходит превышение этого порога, формируется строб, открывающий выход дискриминатора. До этого момента, на выходе дискриминатора присутствовал только шумовой процесс и его амплитуды были значительны, поэтому необходимо было их отсечь. Сигнал с выхода углового дискриминатора похож на пеленгационную характеристику и схематично показан на рис. 1.3.
После временной селекции сигнала с выхода углового дискриминатора полученный сигнал попадает на фильтр верхних частот (ФВЧ). При отсутствии объектов, сигнал с выхода ФВЧ образует шумовую дорожку. При наличии же какого-либо объекта в секторе обзора, сигнал на выходе углового дискриминатора из плавной функции превращается в плавную функцию с некоторым выбросом. ФВЧ превращает данную функцию в постоянную функцию с некоторым выбросом. Поставив модульное устройство на выходе ФВЧ, а за ним пороговое устройство, установив требуемый порог, можно обнаруживать объекты, расположенные над подстилающей поверхностью.
Как уже говорилось выше, данный алгоритм основан на пространственных свойствах диаграммы направленности. А точнее на определении направления на источник излучения. Недостатком этого алгоритма является то, что несколько источников (отражения от подстилающей поверхности и от объекта) он будет считать одним, и располагать его в энергетическом центре. Тут возможно несколько ситуаций:
- мощность отражения от подстилающей поверхности больше мощности отражения от объекта. В этом случае энергетический центр немного сместится по углу от направления на отражающий участок подстилающей поверхности. Это вызовет малый по амплитуде всплеск на выходе углового дискриминатора и в пороговом устройстве всплеск может не превысить порог, произойдет пропуск цели.
- мощность отражения от подстилающей поверхности меньше мощности отражения от объекта. В этом случае энергетический центр источника излучения для диаграммы направленности значительно сместится по углу к направлению на объект. Это вызовет значительный по амплитуде всплеск на выходе углового дискриминатора, а так же высока вероятность, что данный всплеск превысит порог в пороговом устройстве, произойдет правильное обнаружение цели.
Этот метод реализуется в виде устройства, структурная схема которого представлена на рис. 1.4. Где АС - антенная система, состоящая из двух диаграмм направленностей и формирующая суммарный и разностный каналы. Суммарный и разностный сигналы поступают на угловой дискриминатор Д. На вход порогового узла ПУ1 поступает суммарный сигнал и сигнал порога обнаружения отражений hi. С выхода этого порогового узла управляющий сигнал поступает в блок строб каскада СК, разрешая прохождение сигнала со входа на выход. С выхода строб каскада сигнал поступает на фильтр верхних частот ФВЧ, затем на модульный узел , после которого стоит второй пороговый узел ПУ2. Поступивший на вход сигнал сравнивается сигналом порога обнаружения объектов h2. Данный пороговый узел принимает решение о наличии или отсутствии объекта.
Геометрическая модель взаимного расположения носителя и подстилающей поверхности
Отражающая поверхность может являться как водной поверхностью, так и поверхностью земли. Рассмотрим гладкую поверхность земли, т.е. без холмов, оврагов и искривления, вызванного шарообразной формой планеты. Так как поверхность не идеально гладкая, не зеркальная в радиотехническом смысле, то отражающий участок в элементе разрешения можно аппроксимировать точечной моделью и отражающий участок будет являться равнонаправленным вторичным источником излучения, с коэффициентом отражения, распределенным по нормальному закону.
Низколетящий объект будем считать достаточно малым, по сравнению с элементом разрешения, поэтому его так же можно аппроксимировать точечной моделью. В каждом конкретном случае, у каждого объекта существует диаграмма коэффициента отражения, зависящая от угла прихода зондирующего сигнала. Кроме того могут быть случаи, когда объект не будет являться равнонаправленным вторичным источником излучения, а отражать зондирующий импульс в направление отличное от прихода сигнала. Возьмем общий случай, когда точечная модель объекта является равнонаправленным вторичным источником излучения с коэффициентом излучения, распределенным по нормальному закону.
В программной модели отражающая поверхность задана геометрически как функция угла от времени прихода отраженного сигнала:
Предполагается, что отраженный от поверхности сигнал уже прошел согласованную фильтрацию в приемном канале, поэтому в программной модели отражения от поверхности представлены массивом случайных величин распределенных по нормальному закону, среднеквадратическое отклонение (СКО) которых равно единице. Данная величина представляет собой отражающее свойство участков поверхности, а поскольку используется амплитудная система, то отражающее свойство одинаково для каждого канала в каждый мгновенный момент времени. Различие между каналами проявляется при формировании MIMO системы, когда отсчеты каждого канала умножаются на функцию диаграммы направленности, принятые по соответствующему направлению (2.1).
В каждом из каналов к принимаемым сигналам аддитивно добавляются независимые шумовые отсчеты с нормальным законом распределения. Их среднеквадратическое отклонение задается отношением помеха-шум. Сигнал, отраженный от объекта в программной модели задан временем прихода отражением от него и угловым возвышением над поверхностью. К массиву отражений от поверхности, сложенному с шумовым массивом, аддитивно добавляется сигнальный отсчет. Индекс сигнального отсчета в общем массиве определяется согласно времени прихода отражения от объекта, а его значение зависит от отношения сигнал-помеха и углового возвышения над поверхностью (коэффициент усиления диаграммы направленности).
Геометрическая модель расположения объектов в пространстве показана на рис. 2.1. Некий летательный аппарат (ЛА) является носителем антенной системы (АС). АС облучает поверхность в секторе углов от щ до а2. Для удобства эта область затенена серым цветом. Углы откладываются от нормали к поверхности земли. ЛА находится на высоте Н. Допустим, объект располагается в направлении fij. Тогда участок поверхности, находящийся в одном зондирующем импульсном объеме с этим объектом, будет располагаться в направлении Д?. Радиальная протяженность импульсного объема ctj/2, где с - скорость света, а /„ - длительность зондирующего импульса. Площадь поверхности будет меняться в зависимости от угла fi2. Согласно точечной модели, весь отражающий участок поверхности аппроксимируется точкой (энергетическим центром), так вот направление fi2 проходит через эту точку.
Антенная система формирует диаграммы направленности с единым фокусным центром и разнесенными максимумами в угломестной плоскости, образуя амплитудную систему. Диаграмм направленностей может быть несколько (от двух до трех, четырех), в зависимости от преследуемых целей исследований. Такую антенную систему можно получить с помощью АФАР.
Для получения MIMO необходимо, что бы каждая антенна (сформированная диаграмма направленности) излучала различные сигналы. Что подразумевается под словом «различные»?! В широком смысле это означает разные, отличающиеся сигналы. Отличаться они могут по множеству признаков. Стоит учитывать, что эти сигналы потом необходимо принимать и обрабатывать, поэтому было бы разумно разделять сигналы по какому-то одному признаку.
В линейной алгебре существует понятие скалярного произведения векторов. Если это скалярное произведение равно нулю при не нулевых векторах, то векторы считаются ортогональными. В радиотехнике тоже существует понятие ортогональности и физический смысл этого понятия независимость друг от друга. Ортогональность сигналов можно получить несколькими способами, наиболее простой в реализации способ это частотное разделение сигналов, точнее у сигналов будет отличаться несущая частота.
Использование собственных векторов для формирования нулевых значений в эквивалентной ДН
Допустим, имеется антенная система из N антенн. Каждая антенна принимает сигнал, в совокупности корреляционная матрица канальных сигналов будет квадратной N х N. В линейной алгебре есть способ перехода линейного оператора одного базиса линейного пространства к новому базису [18]:
Пусть А будет корреляционная матрица принимаемых сигналов, ее ранг равен количеству приемо-передающих каналов. В качестве матрицы U необходимо взять матрицу собственных векторов для А. Тогда матрица А будет диагональной и ее диагональные элементы будут собственными числами А. Физический смысл этих собственных чисел: мощность источников, в нашем случае источников помех и источника шума или источников помех и источника сигнала, если таковой будет. Наименьшее собственное число будет принадлежать или источнику шума, или источнику сигнала. Пространственные характеристики источников заложены в матрице собственных векторов. Пространственная обработка заключается в умножении сигналов, принимаемых антенными системами, на собственный вектор, соответствующий наименьшему собственному числу. При этом используется свойство ортогональности собственных векторов, и помеховые источники будут подавляться [17].
Стоит заметить, что эквивалентные диаграммы направленности, полученные этим способом и способом, описанным выше, совпадают. Различия лишь в способе вычисления весовых коэффициентов для ДН.
На рис. 3.7 показана структура компенсации помех с использованием собственных векторов и чисел корреляционной матрицы входного сигнала. Алгоритм содержит два этапа, первый показан на рис. 3.7,а. Антенная система образует три приемо-передающих канала. Заранее известно, что нет других источников отражения кроме помеховых. Вычисляется корреляционная матрица А3, затем обеспечивается вычисление собственных чисел и собственных векторов, интересующий нас вектор г3 соответствует наименьшему собственному числу. Во втором этапе, изображенном на рис.3.7,6, происходит прием сигнала, затем каналы умножаются на собственный вектор г3 поэлементно. После этого выполняется суммирование. Собрав все скомпенсированные отсчеты дальности в один массив, получим результат пространственно-временной обработки. В результирующем сигнале помеха будет подавлена, и если будет присутствовать отраженный от объекта сигнал, это будет видно по соответствующим выбросам - не скомпенсированным отражениям от объекта.
Как уже говорилось выше, данный метод используется, когда априорно неизвестен рельеф поверхности. В собственных векторах в неявном виде имеется информация о направлении, с какого направления пришло отражение. В общем случае, точность определения направления зависит от отношения сигнал-шум, в нашем случае от отношения помеха-шум, поскольку принимаются помеховые отражения на фоне шума. Точность определения направления на отражающий участок важна, поскольку именно в этом направлении будет производиться компенсация. Повысить отношение помеха-шум в данном случае можно накоплением. Для этого нужно использовать пачки зондирующих импульсов (количество накапливаемых отсчетов зависит от длины пачки), в этом случае отношение помеха-шум
Что бы повысить отношение помеха-шум используя пачку зондирующих импульсов необходим элемент памяти, позволяющий хранить все принятые отсчеты. Схематично память будет выглядеть как на рис.3.8. Она разбивается на поля, соответствующие каждому зондирующему импульсу пачки(1, 2, ..., N). Каждое поле разбивается на 3 сегмента, соответствующие приемо-передающим каналам (т.е. три принимаемых сигнала по соответствующим диаграммам направленности). Каждый сегмент состоит из нескольких ячеек, соответствующих принимаемым последовательно отсчетам, тем самым формируя ячейки дальности. После приема отраженных сигналов от последнего зондирующего импульса, производится вычисление корреляционных матриц. Из одной ячейки дальности берутся отсчеты трех каналов и вычисляется корреляционная матрица по формуле
Корреляционные матрицы вычисляются для каждой ячейки дальности и для всех элементов пачки. Затем производится суммирование корреляционных матриц, соответствующих идентичным ячейкам дальности вдоль элементов пачки. Получившееся количество корреляционных матриц равно количеству ячеек дальности. Для каждой корреляционной матрицы вычисляется диагональная матрица, состоящая из собственных чисел. Выбирается нужное собственное число, и соответствующий ему собственный вектор. Элементы этого вектора являются вестовыми коэффициентам к принимаемым отсчетам. Первый элемент умножается на отсчет первого канала в данной ячейке дальности, второй элемент перемножается со вторым каналом, а третий элемент с третьим каналом и суммируются все три произведения. У каждой ячейки дальности собственный вектор будет одинаковый для всех элементов пачки. После обработки всех принятых отсчетов, производится суммирование модулей по всем элементам пачки для каждой ячейки дальности. Результат можно посмотреть на рис. 3.8.
Эффективность системы MIMO по сравнению с простой системой...
Сравнение рис. 4.12 и 2.7 показывает, что: - классическая ФН с увеличением доплеровского приращения частоты непрерывно затухает, а обобщенная функция неопределенности MIMO имеет своеобразные «боковые лепестки»; - у классической ФН с увеличением доплеровского приращения частоты в сечении по частоте увеличивается количество провалов, а у обобщенной функции неопределенности MIMO провалы были и при нулевой частоте приращения, но с увеличением доплеровскои частоты их количество изменяется на единицу и возвращается к исходному количеству (7-8 штук).
Таким образом, доплеровское приращение частоты влияет на потенциальную разрешающую способность по угловой координате и искажает обобщенную функцию неопределенности (отклики согласованного фильтра). 4.5 Выбор оптимальных параметров системы MIMO при формировании двух нулевых значений эквивалентной ДН.
Анализ ширины ДН суммарного канала. Используется три приемопередающих канала, три диаграммы направленности с шириной 6 по уровню 0,707 и меняется угловое разнесение между максимумами, три сигнала с прямоугольными огибающими и разнесением между несущими частотами 50 кГц.
В таблице 4.9 приведена зависимость ширины суммарного канала от взаимного углового расположения парциальных ДН. Центральная ДН своим максимумом направлена в 0, а боковые парциальные ДН отодвинуты на угол, указанный в строчке «угловое разнесение». Для сравнения, при угловом разнесении на 5,5 между ближайшими максимумами у простой системы, ширина ДН суммарного канала составляет всего лишь 10,4, а не 14,0 как у системы MIMO. При разнесении максимумов больше 7 неравномерность суммарной ДН в полосе обзора превышает ЗдБ. Точность значений ширины ДН 0,2. Анализ параметров эквивалентной ДН с двумя нулевыми значениями. В предыдущем абзаце исследовалась ДН суммарного канала. В данном абзаце будет исследоваться эквивалентная диаграмма направленности, полученная в результате формирования подавления на отражающую поверхность. Используется двухточечная аппроксимация отражающего участка поверхности, соответствующего одному элементу разрешения. Отражающий участок по углу занимает сектор от -0,1 до 0,1 (это среднее значение, оно может меняться как в большую, так и в меньшую сторону в зависимости от высоты антенного носителя и углового положения отражающего участка). В эквивалентной ДН формируются два нулевых значения в ±0,05.
В таблице 4.10 приведена зависимость некоторых точек эквивалентной ДН при двухточечной аппроксимации отражающего участка поверхности от углового разнесения максимумов ДН. На рис. 4.13 приведен случай, когда угловое разнесение равно 5,5. В строки «максимумы» занесены координаты макушек, соответствующих метке 1. В строку «подавление в 0» занесено уровень подавления максимума, соответствующего метке 2 из рис. 4.13. «Подавление в 0,1» это подавление на границе отражающего участка.
Анализ таблицы 4.10 показывает, что с большим разнесением максимумов парциальных диаграмм происходит большее подавление помехи. Однако вместе с этим происходит расширение максимумов и уменьшение крутизны склона эквивалентной ДН. Максимальным отношение сигнал-помеха будет, когда отражения от обнаруживаемого объекта будут приходить по максимуму эквивалентной ДН.
Анализ параметров эквивалентной ДН при различных угловых положениях отражающего участка. В предыдущем абзаце исследовалась эквивалентная ДН с двумя нулевыми значениями, направленными на отражающий участок. Этот участок находился в нулевом угловом направлении, что соответствует максимуму центральной парциальной ДН. В данном абзаце отражающий участок будет располагаться в других угловых направлениях, и эквивалентная ДН будет производить подавление в этих направлениях. Отражающий участок так же занимает сектор углов от -0,1 до 0,1, разнесение боковых парциальных ДН от центральной взято равным ±5,5. Результаты анализа занесены в таблицу 4.11, контрольные точки эквивалентной ДН аналогичны предыдущему подпункту.
