Содержание к диссертации
Введение
1 Возникновение ложной информации, обуслов ленной неоднозначными измерениями, в импульсных радиотехнических системах 13
1.1 Основы измерения дальности в импульсных дальномерах 13
1.2 Общие условия возникновения неоднозначных измерений дальности 16
1.3 Возникновение зон неоднозначных измерений в радиодальномерах с большой скважностью 18
1.4 Возникновение зон неоднозначных измерений в радиодальномерах с малой скважностью зондирующих импульсов 25
1.5 Возникновение зон неоднозначных измерений дальности в условиях сверхрефракции 29
Выводы к гл. 1 39
2 Анализ методов устранения неоднозначности измерения дальности в импульсных РТС 41
2.1 Классификация основных методов устранения неодно
значности измерения дальности и борьбы с помехами N го хода развертки 41
2.2 Поимпульсное изменение фазы 43
2.3 Изменение закона модуляции сложных зондирующих сигналов от импульса к импульсу 54
2.4 Применение поляризационной модуляции от импульса к импульсу 67
2.5 Применение амплитудной модуляции зондирующих импульсов 73
2.6 Применение вобуляции межимпульсного интервала 78
2.7 Применение кратных частот повторений зондирующего сигнала 92
Выводы к гл. 2 -3
3 Устранение неоднозначности измерений дальности на основе классификации сигналов 100
3.1 Особенности классификации эхо-сигналов 100
3.2 Оптимизация канала дополнительной обработки при во-буляции импульсных последовательностей
3.2.1 Общие алгоритмы байесовской классификации 105
3.2.2 Различение сигналов от объектов с однозначным и неоднозначным измерением дальности 109
3.2.3. Характеристики обнаружения при использовании КДО, основанного на вычислении логарифма отношения правдоподобия 115
3.3 Оптимизация канала дополнительной обработки на основе минимума расстояния 122
3.4 Оптимизация канала дополнительной обработки на основе автокорреляционной обработки сигналов 129
3.5 Использование обработки в частотной области для классификации вобулированных пачек радиоимпульсов 6
Выводы к гл. 3 143
4 Особенности применения методов подавления ложных эхо-сигналов в различных задачах радио да л биометрии 145
4.1 Особенности раскрытия неоднозначного измерения дальности в радиодальномерах с квазинепрерывным излучением 145
4.2 Отображение в радиодальномерах информации о целях, находящихся за пределами однозначного измерения дальности 149
4.3 Разработка алгоритма формирования признака НИП 153
Выводы к гл. 4 159
Заключение 161
Список литературы 165
Список работ автора 173
- Возникновение зон неоднозначных измерений в радиодальномерах с большой скважностью
- Поимпульсное изменение фазы
- Оптимизация канала дополнительной обработки при во-буляции импульсных последовательностей
- Отображение в радиодальномерах информации о целях, находящихся за пределами однозначного измерения дальности
Введение к работе
-3-
Актуальность темы. Обнаружение сигналов и определение расстояния являются основными задачами радиодальномеров и ряда акустических устройств (эхолотов, дефектоскопов и др ) систем дистанционного наблюдения Воздействие помех и шумов приводит к маскировке полезных сигналов и вносит неопределенность в результаты обработки наблюдаемого процесса Одним из видов помех, которые возникают в современных импульсных радиодальномерах, является класс так называемых помех на TV-ом ходе развертки (N > 1). В качестве помехи на TV-ом ходе развертки выступают сигналы от объектов, находящихся за пределами максимальной однозначно измеряемой дальности Неоднозначное измерение дальности в импульсных дальномерах является их неотъемлемым свойством, поэтому задача устранения неоднозначности отсчета дальности и задача снижения влияния действия помехи на TV-ом ходе развертки тесно связаны
Помехи на JV-ом ходе развертки оказывают отрицательное влияние на основные характеристики импульсных дальномеров, приводят к большим ошибкам измерения дальности Сигналы целей, вызванные помехами на TV-ом ходе развертки, статистически не отличимы от сигналов целей, находящихся в пределах однозначного измерения дальности Поэтому такие сигналы поступают на устройство измерения координат, на процессор вторичной обработки информации, затрудняют работу оператора. При наличии устойчивой помехи за несколько обзоров происходит обнаружение и захват траектории ложной цели, т е процессор вторичной обработки начинает формировать ложную информацию об обстановке в зоне ответственности дальномера Большое количество таких помех приводит к перегрузке вычислительных средств и возможной потере сопровождения полезных целей
Поскольку помеха на TV-ом ходе развертки является ложной, то необходимо применение специальных мер по устранению неоднозначности измерения дальности или подавления подобных помех Большой вклад в разработку методов и алгоритмов снижения помех на TV-ом ходе развертки внесли отечественные-и зарубежные ученые М И Финкельштейн, В В Григорин-Рябов, П А Бакулев, В И Раков, Ю Г Сосулин, А И Перов, Р Довиак, Д Зрнич, Ч Мюэ, М Сколник, Я Д.Ширман, А В Оппенгейм, Ю И Пахомов, А Г Рындык и др Не смотря на то, что проблема устранения неоднозначных измерений имеет давнюю историю, интерес к ее решению не спадает в настоящее время
Анализ опубликованных работ показывает, что известные методы и результаты характеризуются следующими ограничениями
Основное внимание уделяется подавлению помех на 2-м ходе развертки Недостаточно исследованы вопросы устранения неоднозначности измерений в общем случае прихода сигналов с 2-го, 3-го и т д интервалов неоднозначности
Мало внимания уделяется вероятностному анализу алгоритмов и устройств снижения уровня помех на TV-ом ходе развертки, результаты которого служат основой для сравнения и оценки эффективности различных технических решений
Недостаточно исследованы вопросы различения импульсных сигналов с однозначным и неоднозначным измерением дальности и помех в виде хаотических импульсных последовательностей (непреднамеренные импульсные помехи)
4 Мало внимания уделяется методам устранения неоднозначности измерения дальности в импульсных радиодальномерах с квазинепрерывным излучением при испо иьзовании сложных зондирующих сигналов
Гаким образом, в настоящее время существует актуальная техническая и научная проблема дальнейшего развития методов устранения неоднозначности измерения дальности и разработки новых эффективных алгоритмов снижения помех на N-ом ходе развертки для импульсных дальномеров
Цель диссертационной работы и основные задачи. Основная цель работы состоит в развитии методов устранения неоднозначности измерений дальности в импульсных радиодальномерах и разработке алгоритмов и структур обработки эхо-сигналов, использование которых позволяет повысить эффективность обнаружения сигналов и защиты от воздействия помех на jV-om ходе развертки
Для достижения данной цели было необходимо
провести анализ различных методов устранения неоднозначных измерений дальности для импульсных дальномеров,
разработать и обосновать новые высокоэффективные алгоритмы и устройства устранения неоднозначности измерений дальности,
провести синтез и исследовать эффективность работы обнаружителей сигналов с каналом дополнительной обработки, построенном на базе теории распознавания образов,
разработать принципы построения и методологию выбора параметров канала дополнительной обработки, используемого для классификации целей, расположенных в зонах однозначного и неоднозначного измерения дальности,
выполнить сравнительный статистический анализ эффективности известных и разработанных устройств, обеспечивающих с высокой вероятностью устранение неоднозначности измерения дальности
изучить возможности применения вобуляции периода повторения зондирующих сигналов для селекции непреднамеренных импульсных помех
Методы исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использованы методы цифровой обработки радиотехнических сигналов, их спектрального и корреляционного анализа, теории вероятностей, теории случайных процессов, теории проверки статистических гипотез, теории оптимального обнаружения сигналов, а также методы статистической радиотехники и метод статистических испытаний
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты
Для импульсных радиодальномеров решена задача снижения вероятности обнаружения ложных эхо-сигналов от целей, расположенных за пределами однозначного измерения дальности, до уровня 0,02 и менее Задача решена на основе ис-поль ювания методов теории распознавания образов
Предложены способ и устройство обработки эхо-сигналов во временной и частотной областях для импульсных радиодальномеров с вобуляцией периода повторения зондирующих сигналов
Получены статистические характеристики устройств обнаружения вобули-рованных импульсных сигналов с одновременным устранением неоднозначности измерений дальности
Проведены исследования и найдены количественные оценки эффективности качества работы известных алгоритмов и устройств устранения неоднозначных измерений дальности и предлагаемого метода, основанного на распознавании образов вобулированных пачек импульсов
Предложен алгоритм обработки сигналов в когерентном импульсном радиодальномере с квазинепрерывным сложным сигналом и вобуляцией периода повторения зондирующих сигналов, а также методика отображения отметок от целей, находящихся за пределами рабочей зоны дальномера
Разработан новый алгоритм классификации непреднамеренных импульсных помех и пачек вобулированных импульсов с однозначным и неоднозначным измерением дальности
Практическая ценность и внедрение результатов исследований. Реализация полученных результатов позволяет обеспечить с высокой вероятностью устранение неоднозначности отсчета при измерении дальности в импульсных дальномерах Положительный эффект достигается путем применения вобуляции периода повторения зондирующих сигналов и введения в тракт обнаружения канала дополнительной обработки, работа которого основана на использовании предложенных в диссертации алгоритмов и структур Результаты исследований использованы в 5-й хоздоговорных и 2-х госбюджетных научно-исследовательских работах
Практические результаты диссертации использованы при разработке, испытании и производстве аппаратуры цифровой обработки маловысотной РЛС кругового обзора со сложным зондирующим сигналом, при проектировании систем ближней радио- и звуковой локации и слежения за внешними источниками звука и внедрены в ОАО «Муромский завод радиоизмерительных приборов» и ОАО «Муромский радиозавод», что подтверждается соответствующими актами внедрения
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся научно обоснованные технические разработки, имеющие существенное значение для решения задачи совершенствования импульсных дальномеров, в том числе
Способ и устройство обработки вобулированной пачки радиоимпульсов (патент РФ на изобретение № 2237259), позволяющие существенно снизить вероятность обнаружения помех на N-ом ходе развертки в импульсном дальномере и устранить неопределенность в измерении дальности
Алгоритм и структурная схема устройства дополнительной обработки вобулированной пачки радиоимпульсов на основе анализа автокорреляционной функции, позволяющие обеспечить высокую эффективность устранения неоднозначных измерений
Алгоритм обработки вобулированной пачки радиоимпульсов в частотной области, позволяющий использовать эффективные вычислительные процедуры при реализации устройств обработки на базе цифровой схемотехники
Результаты моделирования и сравнительного анализа различных алгоритмов обнаружения сигналов при использовании методов снижения помех на N-ом ходе развертки, позволяющие оценить потери в пороговой мощности сигнала, оптимизировать структуру и параметры обнаружителя-классификатора в различных режимах работы импульсного дальномера и произвести выбор наиболее эффективного метода с учетом возможностей реализации
4пробация работы. По материалам диссертации представлено и сделано 10 докладов на следующих конференциях «German Radar Symposium» - GRS-2002, Bonn, Germany, 2002, Всероссийская научная конференция «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» - СРСА-2003, Муром, 2003, 5-я Международная НТК «Перспективные технологии в средствах передачи информации» -ПТСПИ-2003, Владимир, 2003, «International Radar Symposium» - IRS-2003, Dresden, Germany, 2003, Международная научная конференция «Системный подход в науках о природе, человеке и технике» - С-2003, Таганрог, 2003, Научно-практическая конференция «Радиолокационная техника устройства, станции, системы»--^ РЛС-
Муром, 2004, 6-я Международная конференция и выставка «Цифровая обработка сигналов и ее применение» - DSPA-2004, Москва, 2004, 7-я Международная конференция и выставка «Цифровая обработка сигналов и ее применение» - DSPA-
Москва, 2005
Публикации. По тематике исследований получен патент РФ на изобретение №2237259 и опубликовано 16 печатных работ, в том числе 2 статьи в журнале, включенном в перечень ВАК, 6 статей в сборниках научных трудов, 8 докладов и тезисов докладов в трудах конференций и симпозиумов
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четыре* глав, заключения, списка литературы из 119 наименований, включая 18 работ автора, и 3 приложения В приложении приведены список сокращений, изложена методика моделирования, копии актов внедрения результатов диссертационной работы Диссертация содержит 184 стр , в том числе 164 стр основного текста, 3 таблицы и 76 рисунков
Возникновение зон неоднозначных измерений в радиодальномерах с большой скважностью
Дистанционное определение расстояния является одной из основных задач радиодальномеров и ряда акустических устройств (эхолотов, дефектоскопов и др.). Измерение расстояний в таких устройствах связано с определением времени запаздывания эхо-сигнала относительно излучаемого (зондирующего) сигнала. Если дальномер является однопозиционным и используется активный метод зондирования пространства, время задержки определяется соотношением
При реализации прямого метода измерения времени запаздывания, как правило, используется импульсный зондирующий сигнал, форма которого близка к прямоугольной. Такая форма зондирующего сигнала достаточно просто достигается в узкополосных радиотехнических и акустических устройствах измерения дальности. В случае использования сверхширокополосных импульсных зондирующих сигналов прямоугольную форму импульса обеспечить затруднительно из-за ограничения полосы частот в излучателе и в тракте передачи-приема сигнала. В любом из этих случаев производится непосредственное измерение времени задержки между характерными точками зондирующего и принимаемого импульсов [53].
-14 Косвенные методы измерения времени запаздывания используют непрерывные зондирующие сигналы и базируются на измерении таких параметров сигналов, в которых содержится информация о времени задержки. Если используется частотная модуляция излучаемого сигнала, то время задержки определяется расчетным путем по измеренной разности частот зондирующего колебания и отраженного сигнала (частотный метод измерения дальности). Другим косвенным методом является фазовый метод измерения дальности, при котором измеряется разность фаз между излучаемым и принимаемым колебаниями с последующим расчетом расстояния на основе полученных данных. Определение дальности до объекта может быть осуществлено и другими расчетными методами, например, с использованием двух разнесенных в пространстве радиопеленгаторов [66].
В данной диссертационной работе рассматривается только импульсный метод измерения дальности, который является наиболее распространенным. К основным радиотехническим системам, в которых он используется и составляет основу построения, можно отнести следующие:
Следует отметить, что заметную роль импульсный метод зондирования играет при реализации устройств с использованием акустических волн. К ним относятся устройства неразрушающего контроля (ультразвуковая дефектоско -15-пия) [24,63], эхолоты и другие подобные устройства. Обобщенная структурная схема импульсного измерителя расстояний представлена на рис. 1.1.
Обобщенная структурная схема импульсного дальномера Радиочастотный блок импульсного дальномера состоит из радиоприемного и радиопередающего устройств, подключение которых к излучателю осуществляется с помощью переключателя прием-передача. В качестве излучателя может использоваться антенна (зеркальная, рупорная и т.д.) для создания радиочастотного или электромагнитного поля, а также преобразователи радиочастотного сигнала в механические колебания при работе с акустическими волнами. Преобразователи радиочастотного сигнала в акустический и акустического сигнала в радиочастотный чаще всего создаются на основе материалов, обладающих пьезоэффектом, например, с использованием кварцевых пластин или титаната бария. Согласование во времени работы всех устройств дальномера осуществляет синхронизатор. В частности, он определяет момент излучения зондирующего сигнала, частоту следования импульсов, моменты переключения с передачи на прием и т.д. Время запаздывания между зондирующим и принимаемым сигналами определяется в устройстве обработки данных и отображения информации, где измеренный интервал времени пересчитывается в дальность до объекта и передается потребителю информации либо в виде цифровой информации, либо в виде определенного изображения на индикаторном устройстве.
Одним из недостатков импульсных дальномеров является неоднозначное измерение дальности. Рассмотрим более подробно механизм возникновения неоднозначных измерений и последствия данного эффекта. Пусть цель удалена от дальномера на расстояние R, причем R / , где через Rmax обозначена максимальная однозначно измеряемая дальность сТ Дтах где Тп - период следования зондирующих импульсов. Тогда измеренное время задержки гзи будет меньше Тп, а измеренное расстояние до объекта Re равно истинному R.
Теперь пусть объект располагается на дальности R Л , R 2 , а энергетического потенциала дальномера оказывается достаточно для его надежного обнаружения. Время запаздывания до объекта t3 = — в этом случае с превышает период зондирования Тп. Измерение дальности в импульсных дальномерах осуществляется по времени задержки относительно синхронизирующих импульсов (СИ), определяющих начало излучения зондирующего сигнала (ЗС). Поэтому измеренное дальномером время задержки t3ii h n отличается от истинного на время Т„, а измеренное значение дальности равно Re -R-RmsK
Поимпульсное изменение фазы
На рис. 2.4 представлена схема одного из каналов обработки сигналов. Наблюдаемый процесс поступает на устройство разделения квадратурных составляющих (УРК). В квадратурных каналах осуществляется оптимальная фильтрация импульсов (ОФИ), накопление импульсов (НИ) в пределах пачки и возведение в квадрат накопленной суммы с помощью квадратичных детекторов (Кв.Д). После сложения результатов обработки в суммирующем устройстве (СУ) и извлечения квадратного корня в устройстве извлечения квадратного корня (УИКв.К) вычисляется амплитуда комплексной огибающей Zj. Как видим, струтурная схема каждого канала по своему составу практически не отличается от классической схемы обработки пачки когерентных импульсов [5]. Принципиальное отличие заключается в используемом опорном колебании: в каждом канале это колебание фазируется в соответствии с фазой -/+1» соответствующей і-щ интервалу измерений дальности.
Характеристики обнаружения [А 15]. Проведем теоретический расчет характеристик обнаружения сигналов для случая нефлуктуирующей цели (случай 1) [79]. При согласованном по фазе приеме осуществляется когерентная обработка сигналов со случайной начальной фазой. Характеристики обнаружения при оптимальной обработке для такого случая хорошо изучены [5, 77 и др.]. При 9 = О плотность распределения вероятностей статистики обнаружения определяется законом Релея, поэтому значение вероятности ложной тревоги определяется соотношением [5,77 и др.] F = Г иехр(- 0,5иуи = ехр(- 0,5/ ), (2.1) где /ZQ =hlasr - нормированный порог, оу - среднеквадратическое значение шума на выходе линейной части устройства при согласованной обработке. При в = 1 плотность распределения вероятностей статистики обнаружения подчиняется закону Релея-Райса. Это позволяет провести расчет вероятности правильного обнаружения по соотношению [5, 77 и др.] D= иехр{-0,5\и2 +а\ {и- и, (2.2) где /(,() -модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка; q - отношение сигнал-шум по мощности. При использовании критерия Неймана-Пирсона величина порога, как следует из (2.1), определяется по заданной вероятности ложной тревоги HQ =V21nF_ . Следует заметить, что интеграл, входящий в (2.2), аналитически -47-не вычисляется, поэтому для расчета характеристик обнаружения используются либо таблицы значений интеграла, либо приближенные расчеты на ЭВМ с использованием различных методов аппроксимации функции Бесселя и численного интегрирования. Если на входе УООС-1 присутствует сигнал, не согласованный по фазе с опорным колебанием, то на выходе УООС-1 статистика обнаружения может быть представлена в виде где UQ - амплитуда центрального импульса в пачке после линейных преобразований; с„ = !к=\акС0?1Фк sn = !1=\ак8 тФк составляющие сигнала на выходе НИ синфазного и квадратурного каналов; фк - отсчеты случайной фазы с равномерной плотностью распределения; сп, т - шумовая составляющая на выходе НИ синфазного и квадратурного каналов соответственно.
Поскольку процессы сп, Csn имеют гауссовское распределение, то условную плотность распределения w(u/cn,sn) статистики обнаружения Zt после нормировки входящих в нее процессов можно представить в виде wiu/c s uex O u2 + q(cl + s2 -2%[unA 2п +Щ. (2.3)
Для расчета безусловной (вообще говоря, условие в -1 остается) плотности распределения вероятностей w(u) воспользуемся формулой умножения вероятностей w(u,cn,sn) = w(u/cn,sn)w(c„)w(sn), а затем проинтегрируем совместную плотность по с„ и s„. Таким образом, получаем w{u)= l\w(u/c„,sn)w{cn)w(sn)dcndsn. (2.4) При вычислении данного интеграла следует учитывать, что пределы интегрирования ограничены диапазоном [-к-,+лг], где K = YX=\ak посколькУ случайные величины сп и sn не могут превысить указанные значения.
Все интегралы, входящие в данное соотношение, аналитически не вычисляются, поэтому теоретический расчет по (2.6) затруднителен. В связи с отсутствием табличных значений данных интегралов, все расчеты проводились численными методами с привлечением ЭВМ.
Результаты моделирования. Для оценки качества работы изложенного алгоритма обработки сигналов был проведен статистический эксперимент, основанный на методе статистических испытаний (метод Монте-Карло). Данный метод заключается в многократном повторении эксперимента и вычислении относительной частоты проявления того или иного события. Выбор числа повторений опытов производился в соответствии с рекомендациями [49] таким образом, чтобы ошибки оценивания вероятностей не превышали 10%. В качестве критерия оптимальности при принятии решений использовался критерий Неймана-Пирсона, поэтому установка порога обнаружения h осуществлялась по заданной вероятности ложной тревоги. При типичных значениях вероятности ложной тревоги F = 10 ...10 число экспериментов, необходимое для обеспечения заданной точности вычислений, оказывается неприемлемым для -моделирования. В подобных условиях использовался метод экстремальных статистик [49]. Он позволяет сократить число испытаний в 100...1000 раз. При проведении статистического эксперимента по определению порога использовалось 10000 испытаний; для расчета вероятности правильного обнаружения -1000 испытаний. Все основные расчеты производились при фиксированном значении F = 10 .
Для исследования качества обнаружения проводилось моделирование на ЭВМ комплексного наблюдаемого процесса в дискретном времени yk = OSfc + Ід., где Sfc - модель эхо-сигнала; %к - модель шума. Методика проведения экспериментов заключается в следующем. Наблюдаемый процесс обрабатывается с помощью соответствующего алгоритма обработки, в результате действия которого формируется статистика обнаружения Z,, а также принимаются решения. При отсутствии эхо-сигнала (# = 0) по заданной вероятности ложной тревоги F рассчитывается порог обнаружения. Затем при в = 1 после многократного повторения опытов при различных отношениях сигнал-шум q оцениваются вероятности правильного обнаружения D.
Число импульсов в пачке принято п -16. Окно анализа в процессоре соответствовало числу принимаемых импульсов по уровню половинной мощности диаграммы направленности антенны и также составляло « = 16, форма диаграммы направленности по мощности определялась законом cos а.
Зависимости вероятности правильного обнаружения D от отношения сигнал-шум по мощности q (характеристики обнаружения), полученные в результате моделирования, представлены на рис. 2.5. Под цифрой 1 приведена характеристика оптимального обнаружения целей, расположенных на интервале однозначного измерения, при доплеровском смещении щ-=0 (канал УООС-1). Аналогичные характеристики обнаружения получаются при согласованном приеме сигналов во 2, 3, ...N-ом каналах, рассчитанных на обработку сигналов от целей, расположенных соответственно в 1, 2,...VV-1-OM интервалах неоднозначного измерения дальности.
Оптимизация канала дополнительной обработки при во-буляции импульсных последовательностей
Другим, сходным с методом вобуляции, методом устранения неоднозначности измерений является одновременное применение нескольких частот повторения импульсов или последовательный переход от одной частоты повторения к другой [59, 65, 66, 80]. Следует отметить, что в процессе перебора частот повторения можно однозначно оценить дальность и скорость, используя разные приёмы. Наиболее простыми из них являются приём, связанный с вычислением коэффициента неоднозначности, и приём, основанный на использовании нониусного способа. Отличительная особенность данных методов заключается в том, что в зоне действия радиодальномера на всех частотах повторения импульсов практически не обеспечивается однозначное измерение дальности. Размер зоны однозначного измерения существенно зависит от максимальной частоты повторения.
Для устранения неоднозначности по дальности последовательно излучаются, как минимум, две пачки импульсов с различными частотами повторения. Частоты повторения импульсов в пачках Fn\ и Fn2 выбираются исходя из базовой частоты повторения FnQ, для которой обеспечивается однозначное измерение расстояний в пределах всего возможного диапазона измерения дальностей, т.е. FnQ=c/(2Rmax). Данные серии импульсов образуют две последовательности синхронизирующих импульсов СИ1 и СИ2, которые являются импульсами запуска передатчика. Импульсы СИ1 и СИ2 получены из одной и той же опорной последовательности ОП путем умножения её частоты в различное, но некратное число раз. Таким образом, частоты Fn\ и Fn2 не являются кратными и связаны отношением целых чисел Fn\ n\FnQ» Fnl = n2FnO і где «і и я2 - целые числа, которые не имеют общего делителя. На рис. 2.33 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип двухчастотного метода устранения неоднозначности измерений по дальности: -a - импульсы опорной последовательности (ОП) с периодом следования Г„ = Топ; б - синхронизирующие импульсы СИ1 с периодом следования Тп = 7]; в - импульсы на выходе приемника, соответствующие эхо-сигналам с периодом следования 7] (ЭС1); г - синхронизирующие импульсы СИ2 с периодом следования Тп = Т2; д - импульсы на выходе приемника, соответствующие эхо-сигналам с периодом следования Т2 (ЭС2); е - импульсы на выходе схемы совпадений, на которую поступают импульсы ЭС1 и ЭС2 с периодами следования 7] и Т2. В рассматриваемом случае периоды следования соответственно в три и четыре раза меньше Топ, т.е. 7} = Топ/3 иТ2 = Топ/4,
Для определенности на рис. 2.33 эхо-сигнал цели задержан на время 3 = 2R/c, где R - расстояние до цели. Из графиков видно, что при таком расположении цели однозначно определить расстояние до цели по каждой из последовательностей импульсов практически невозможно, так как период повторений импульсов значительно меньше времени задержки каждого отраженного импульса t3.
При приеме отраженных сигналов для каждой пачки измеряется наблюдаемое время задержки гзи1 и tm2 (рис. 2.33 в и д). По результатам двух изме -94-I рении наблюдаемых задержек сигнала для истинной задержки можно составить систему из двух уравнений t m{r{+tmb t3 = m2T2 + t3ii2, где Ш\ и т2 - количество целых периодов повторения 7] и Т2, попадающих в пределы интервала истинной задержки t3 соответственно (коэффициенты неоднозначности).
В общем случае данная система уравнений обычным алгебраическим методом не решается, так как число неизвестных превышает на единицу количество уравнений. Один из вариантов решения подобных систем уравнений заключается в переборе значений гп\ - 0,щ -1 и т2 = 0,и2 -1
При некотором сочетании коэффициентов неоднозначности ту и т2 значения 4i и 32 получающиеся в левой части уравнений, оказываются одинаковыми: 3 = /з1 = i32- Полученное значение f3 будет представлять собой решение системы уравнений для истинной времени задержки.
Другой способ решения системы уравнений [65] связан с таким выбором межимпульсных интервалов 7] и Т2, при котором коэффициенты неоднозначности ту и т2 могут отличаться не больше, чем на единицу. Данное условие упрощает решение системы уравнений и устранение неоднозначности измерений.
В реальных условиях из-за ошибок измерения ґзи1 и tm2 совпадение вычисленных значений времени задержки i3\ и із2 происходит внутри некоторого временного интервала. Поскольку в радиодальномерах с цифровой обработкой сигналов производится дискретизация дальности на элементы разрешения, то среднеквадратическая ошибка измерения расстояния не должна превышать величину разрешающей способности по дальности. В противном случае возможна неправильная идентификация объектов, находящихся в соседних элементах разрешения по дальности. Отсюда виден один из недостатков радиодальномеров с использованием кратных частот повторения (перебора частот повторе -95-ния) зондирующего сигнала, заключающийся в трудности обработки сигналов при наличии множества близкорасположенных объектов в зоне ответственности радиодальномера.
В радиодальномерах с одновременным измерением скорости выбирается такой набор межимпульсных интервалов, чтобы были раскрыты неоднозначности, как по дальности, так и по скорости [65]. В общем случае требуется больше частот повторения, чем две, так как при изменении частоты повторения возможно попадание сигнала цели в «слепую» зону по дальности или в «слепую» зону по скорости. Поэтому применяют третью пачку имлульсов для устранения влияния «слепой» зоны и вычисления однозначного значения истинной дальности и доплеровской частоты. Причем, если частота повторения импульсов во второй пачке меньше, чем в первой на величину AT, то в третьей пачке импульсов больше, чем в первой на ту же величину, и наоборот.
При схемотехнической реализации неоднозначность можно устранить, если две последовательности принятых импульсов (диаграммы вид) подать на схему совпадений "И". Совпадение импульсов возможно только один раз за период повторения импульсов опорной последовательности Топ (диаграмма ё). Полученный на выходе импульс имеет задержку во времени относительно импульса опорной последовательности t3, которая соответствует истинному расстоянию до цели R.
Отсюда следует, что максимальная однозначно измеряемая дальность определяется периодом повторения импульсов опорной последовательности Топ. Период Топ необходимо выбирать так, чтобы максимально возможная задержка отраженных сигналов от наиболее удаленных объектов была меньше этого периода t3maK Топ.
На рис. 2.34 приведена обобщенная структурная схема тракта обработки сигналов радиодальномера для реализации описанного метода [80]. На вход устройства обработки поступает сигнал х( с выхода радиоприемника. После детектирования сигнал подается на два идентичных по структуре канала, каждый из которых содержат линию задержки на время 7J, і = 1,2 и схему совпадения "И,". В данных каналах осуществляется селекция последовательностей по периоду следования: один канал выделяет последовательность ЭС1 с периодом 7], во втором - ЭС2 с периодом Т2. Далее эти последовательности объединяются в схеме совпадений "И". Для обеспечения нормальной работы схем совпадений "И" требуется предварительная пороговая обработка (на рис. 2.34 не показана).
Отображение в радиодальномерах информации о целях, находящихся за пределами однозначного измерения дальности
Анализ некоторых методов подавления сигналов от целей, находящихся в зонах неоднозначного измерения дальности, был дан в разделах 2, 3. Однако эти методы раскрытия неоднозначного измерения дальности в радиодальномерах с квазинепрерывным излучением имеют свои особенности, т.к. подобные радиодальномеры в принципе обладают неоднозначным измерением дальности. При этом часть изменений по сравнению с классическим радиодальномером (с простым импульсным сигналом) касается не только устройства обработки сигналов, но и радиочастотного тракта, включая радиопередающее и антенное устройства. Такой подход требует системного проектирования практически всего радиодальномера. В данном разделе ограничимся рассмотрением устройства обнаружения и канала дополнительной обработки.
Обобщенная структурная схема импульсного радиодальномера представлена на рис. 4.1. Предполагаем, что излучаемый сигнал является квазинепрерывным сложным сигналом с фазокодовой модуляцией. Устранение неопределенности измерения дальности осуществляется с использованием метода на основе вобуляции межимпульсного интервала. Для конкретности далее будет рассматриваться случай вобуляции с двумя периодами межимпульсного интервала.
Высокочастотный блок радиодальномера состоит из приемной и передающей частей, переключение между которыми осуществляется с помощью антенного переключателя. Импульсные радиодальномеры с квазинепрерывным сложным зондирующим сигналом должны иметь истинную когерентность, поэтому основная часть обработки сигналов производится на основе когерентного накопления.
Основное усиление сигнала происходит в малошумящем УПЧ, полоса пропускания которого примерно равна величине, обратной длительности элементарного импульса.
Подавление импульсов передатчика вместе с антенным переключателем производится также в радиоприемном устройстве. Это позволяет снизить энергию передатчика, просачивающуюся непосредственно в приемник, до такого уровня, при котором боковые полосы шума передатчика не могут ухудшить работу приемника.
Далее сигнал проходит через квадратурный детектор. Здесь из сигнала выделяются квадратурные составляющие, устраняются высокочастотные колебания, т.е. на выходе детектора образуются импульсы, которые в случае движущейся цели пульсируют, а в случае неподвижной - имеют постоянную амплитуду. Различие сигналов движущихся и неподвижных целей обеспечивает возможность их разделения. После детектирования информация из аналоговой преобразуется в цифровую и затем обрабатывается в блоке цифровой обработки сигнала (ЦОС). Работа этого блока будет описана ниже.
Затем происходит первичная (ПОИ) и вторичная обработка (ВОИ) информации, т.е. оценка дальности, азимута, угла места; обнаружение, захват и сопровождение траектории. Полученные результаты выводятся на координатно-знаковый индикатор (КЗИ) кругового или секторного обзора.
После преобразование сигнала в цифровую форму он обрабатывается в блоке ЦОС, структурная схема которого представлена на рис. 4.2.
Здесь сигнал проходит через многоканальное по доплеровской частоте устройство сжатия сигнала, после чего сжатый сигнал выглядит так, как если бы передавался и принимался короткий импульс. При этом амплитуда импульса увеличивается прямо пропорционально коэффициенту сжатия, что увеличивает разрешение по дальности, но снижает дальность обнаружения, поскольку имеются потери при доплеровской фильтрации. Затем происходит измерение амплитуды для того, чтобы знать уровень сигнала.
Весьма важной задачей является "очищение" сигнала от пассивных помех. Это значительно облегчат задачу оператора, следящего за экраном индикатора. Данная задача решается с помощью системы селекции движущихся целей (СДЦ). Далее следует устройство устранения неоднозначности измерения дальности (рис. 4.2). Обобщенная структурная схема устройства устранения неоднозначности измерения дальности представлена на рис. 4.3.
Устройство построено на основании типовой схемы подключения КДО (рис. 2.26). Подробно работа этого канала описана в пунктах 2.6, 3.2-3.5. Основной канал обнаружения ОКО состоит из одного канала при некогерентно-весовом накоплении сигналов или набора доплеровских каналов при когерентно-весовом накоплении. Представленная на рис. 4.3 структурная схема устройства устранения неоднозначности измерения дальности рассчитана на случай, когда в системе реализована вобуляция при числе частот повторения зондирующих импульсов, равном 2.
В устройстве устранения неоднозначности измерения дальности импульсы сортируются по шкалам дальности, затем собираются и накапливаются. Работа устройства происходит следующим образом. Пусть на вход ОКО и КДО поступают сигналы от объектов, находящихся в зоне однозначного измерения дальности и в зоне неоднозначного измерения дальности. В каналах после обработки сигналы сравниваются с порогами, и выносится решение о появлении того или иного сигнала. Пороги выбираются таким образом, чтобы для объектов, находящихся в зоне неоднозначного измерения дальности, критерий выполнялся с низкой вероятностью. Полученные признаки обнаружения ОК и объединяются с результатом дополнительной обработки по схеме «И». На выходе схемы «И» отметки от объектов, находящихся в зоне неоднозначного измерения дальности, подавляются. Первая шкала дальности формируется после схемы «И», и содержит информацию о появлении объектов, расположенных в зоне однозначного измерения. Информация с выхода ОК и выхода после объединения каналов поступает на схему запрета, состоящую из инвертора и схемы «И» - это вторая шкала дальности (определяет появление объектов, находящихся в зоне неоднозначного измерения дальности). Сделано это с цель получения информации от объектов, расположенных в зоне однозначного измерения, и однозначного определения дальности до объектов, находящихся в зоне неоднозначного измерения дальности. В ПЗУ сигналы накапливаются по дискретам дальности, сдвоенные отметки объединяются, значения дальности запоминаются. Из ПЗУ можно считать информацию и однозначно определить расстояние до объектов, расположенных в зоне однозначного измерения, и до объектов, находящихся в зоне неоднозначного измерения дальности.
