Содержание к диссертации
Введение
1 Способы и алгоритмы приема и обработки траекторного сигнала в задачах радиовидения 14
1.1 Разработка и реализация концепции «обводного канала» при введении режима «воздух-поверхность» 14
1.1.1 Общая структурная схема и организация работы канала «воздух поверхность» 14
1.1.2 Режимы картографирования земной поверхности, задачи и методы формирования радиолокационного изображения и селекции наземных движущихся целей 17
1.2 Концепция двухдиапазонной ФАР: способы реализации при введении режима «воздух-поверхность» 31
1.2.1 РЛС миллиметрового диапазона и их применение в задачах радиовидения 31
1.2.2 Способы совмещения апертур двухдиапазонной ФАР 35
1.2.3 Анализ конструктивного положения апертуры ФАР ММ-диапазона 36
1.3 Многоскоростная и адаптивная обработка траєкторного сигнала в задачах радиовидения 42
1.3.1 Общая структура цифрового приемника траєкторного сигнала. Постановка задачи исследований 42
1.3.2 Методы многоскоростной адаптивной фильтрации траєкторного сигнала 49
2 Способы построения структуры цифрового приемника тр аекторного сигнала и алгоритмы его обработки в режиме «доплеровского обужения луча» 56
2.1 Математическая модель траєкторного сигнала в режиме ДОЛ. Постановка задачи исследований 56
2.2 Способы и алгоритмы повышения разрешающей способности цифрового приемника траєкторного сигнала в режиме ДОЛ 63
2.2.1 Секторный обзор в режиме ДОЛ 63
2.2.2 Панорамный обзор с покадровым формированием 70
2.2.3 Комбинированный обзор в режиме ДОЛ 75
2^2.4 Моделирование процесса формирования РЛИ в режиме ДОЛ . 77
2.3 Оценка влияния ухода доплеровских частот и шума
приемника на качество формирования РЛИ 81
2.3.1 Оценка влияния ухода доплеровских частот 81
2.3.2 Оценка влияния шума приемника и анализ эффективности предобработки траєкторного сигнала 84
3 Способы построения структуры цифрового приемника траекторного сигнала и алгоритмы его обработки в режиме «фокусированного синтезирования апертуры» антенны 91
3.1 Математическая модель траєкторного сигнала в режиме ФСА. Постановка задачи исследований 91
3.2 Оценка влияния рассогласования параметров траєкторного сигнала и опорной функции на качество формирования РЛИ 96
3.3 Способ построения структуры цифрового приемника траєкторного сигнала в режиме ФСА 96
3.3.1 Структура цифрового приемника траєкторного сигнала с использованием многоскоростной обработки 96
3.3.2 Моделирование телескопического обзора в режиме ФСА 99
3.3.3 Исследование качества формирования РЛИ при внесении погрешности приема и обработки, связанной с уходом доплеровских частот от принятой ЛЧМ-модели траєкторного сигнала 103
3.4 Разработка, моделирование и исследование алгоритмов автофокусировки РЛИ в режиме ФСА 110
3.4.1 Введение. Постановка задачи ПО
3.4.2 Автофокусировка РЛИ на основе оценки
средней доплеровской частоты 112
3.4.3 Фазоразностный алгоритм автофокусировки 114
3.4.4 Моделирование алгоритмов автофокусировки РЛИ 116
4 Способы построения структуры цифрового приемника траекторного сигнала и алгоритмы его обработки в режиме «селекции наземных движущихся целей» 123
4.1 Математическая модель траєкторного сигнала в режиме селекции НДЦ 123
4.2 Проблемы селекции НДЦ. Постановка задачи исследований 126
4.3 Алгоритмы селекции НДЦ на основе пространственно-частотной обработки траєкторного сигнала, доплеровской фильтрации и спектрального анализа 130
4.4 Алгоритмы селекции НДЦ на основе частотно-временной адаптивной обработки траєкторного сигнала 139
4.5 Алгоритм селекции НДЦ со «скользящей» ДНА 142
4.6 Моделирование и исследование эффективности алгоритмов селекции НДЦ 145
Заключение 152
Библиографический список
- Режимы картографирования земной поверхности, задачи и методы формирования радиолокационного изображения и селекции наземных движущихся целей
- Способы и алгоритмы повышения разрешающей способности цифрового приемника траєкторного сигнала в режиме ДОЛ
- Способ построения структуры цифрового приемника траєкторного сигнала в режиме ФСА
- Алгоритмы селекции НДЦ на основе пространственно-частотной обработки траєкторного сигнала, доплеровской фильтрации и спектрального анализа
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время во многих районах мира сохраняется угроза возникновения региональных военных конфликтов на суше и на море. В связи с этим для государств таких регионов имеет большое значение наличие многофункциональных самолетов, которые, наряду с борьбой с воздушным противником, могут выполнять ударные (штурмовые) задачи по наземным и надводным целям. К числу таких самолетов принадлежат двухместные отечественные истребители Су-30 и Су-27УБ. Однако существовавший ранее комплекс бортового радиоэлектронного оборудования этих самолетов был разработан достаточно давно и не отвечал современным требованиям. Поэтому потребовалась его модернизация, цель которой состояла в дальнейшем расширении боевых возможностей истребителей в борьбе с воздушным противником и введении новых режимов работы, предназначенных для поражения наземных и надводных объектов.
В то же время истребители аналогичного класса, находящиеся на вооружении НАТО, а именно F-15, F-16, F-18, начали оснащаться РЛС нового поколения с полностью цифровой обработкой траєкторного сигнала, что значительно расширило функциональные возможности самолетов и повысило эффективность их боевого применения, в первую очередь по наземным и надводным целям. Аналогичные задачи решались отечественными разработчиками - учеными и специалистами, среди которых можно выделить работы Антипова В.Н., Го-ряинова В.Т., Кондратенкова Г.Ф., Лаврова А.А., Орлова М.С., Самарина О.Ф., Фролова А.Ю. и др. Однако резкое сокращение объемов финансирования НИОКР в 90-х годах не позволило решить поставленную проблему путем полного переоборудования радиолокационного прицельного комплекса истребителей (РЛПК Н001). В этих условиях была выдвинута концепция «обводного канала», в соответствии с которой полностью сохранялись существующее радиоэлектронное оборудование и соответствующие режимы его работы, а следовательно, и все то, что было ранее наработано в процессе длительных летных испытаний и многочисленных заводских доводок, обучения летчиков и наземных специалистов, создания тренажеров и учебных комплексов. Суть модернизации заключалась во введении дополнительной системы управления вооружением самолетов в режиме «воздух-поверхность» путем наращивания возможностей бортового радиолокационного комплекса (БРЛК) за счет новых элементов и алгоритмов.
Одним из центральных элементов дополнительного оборудования является цифровой приемник траєкторного сигнала, который строится с применением современных цифровых сигнальных процессоров и решает весь комплекс задач радиовидения на этапе формирования радиолокационного изображения (РЛИ) и селекции наземных (надводных) движущихся целей (НДЦ). Введение процессора обработки сигналов в состав БРЛК поставило перед разработчиками целый комплекс научно-технических задач, связанных с созданием эффективного программно-алгоритмического обеспечения его работы в различных режимах картографирования земной поверхности и селекции НДЦ.
Объектом исследований настоящей диссертационной работы являются способы построения структуры цифрового приемника траєкторного сигнала и алгоритмов его обработки при решении задач радиовидения, связанных с формированием РЛИ и селекцией НДЦ. Предмет исследований - повышение разрешающей способности, точности и скорости формирования РЛИ, а также уменьшение вычислительных затрат и памяти данных путем использования многоскоростной адаптивной фильтрации траєкторного сигнала.
Известно, что одним из наиболее эффективных способов минимизации вычислительных затрат при решении широкого круга задач ЦОС является многоскоростная обработка сигналов, использующая понижение и повышение частоты дискретизации. Идея последовательного понижения частоты дискретизации траєкторного сигнала при переходе от внутрипериодной к межпериодной обработке и самого РЛИ при его последующем формировании и отображении на индикаторе, естественно, не обошла вниманием и специалистов в области радиовидения.
Целью настоящей диссертационной работы являются разработка и исследование способов построения структуры цифрового приемника траєкторного сигнала и алгоритмов его обработки с применением многоскоростной адаптивной фильтрации, направленных на повышение качества формирования РЛИ и вероятности обнаружения НДЦ при одновременной минимизации вычислительных затрат и памяти данных.
Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач.
Анализ методов и алгоритмов обработки траєкторного сигнала в различных режимах картографирования земной поверхности и селекции НДЦ, возникающих в связи с реализацией концепции «обводного канала» при введении в действующую систему управления вооружением отечественных истребителей режима «воздух-поверхность».
Разработка структуры цифрового приемника траєкторного сигнала и алгоритмов формирования РЛИ с применением многоскоростной адаптивной фильтрации в режимах ДОЛ и ФСА.
Исследование эффективности многоскоростной адаптивной фильтрации траєкторного сигнала при решении задач картографирования земной поверхности в режимах ДОЛ и ФСА.
Разработка структуры цифрового приемника траєкторного сигнала и алгоритмов селекции НДЦ с применением многоскоростной адаптивной фильтрации и исследование их эффективности.
Разработка и исследование способов построения структуры цифрового приемника траєкторного сигнала в БРЛК с двухдиапазонной ФАР.
Разработка обобщенной структуры цифрового приемника траєкторного сигнала в задачах формирования РЛИ и селекции НДЦ.
Моделирование и экспериментальные исследования способов и алгоритмов формирования РЛИ и селекции НДЦ с применением многоскоростной адаптивной фильтрации.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались теория и методы цифровой обработки сигналов, включающие в себя: методы частно-временной селекции и спектрального анализа, многоскоростной и адаптивной фильтрации, оптимального проектирования многопроцессорных систем ЦОС. Теоретические исследования проводились с применением математического аппарата статистической радиотехники, радиолокации и радиовидения, методов оптимизации и имитационного моделирования. Научная новизна.
Разработаны структуры цифрового приемника траєкторного сигнала и алгоритмы формирования РЛИ с применением многоскоростной адаптивной фильтрации в режимах ДОЛ и ФСА картографирования земной поверхности.
Разработаны структуры цифрового приемника траєкторного сигнала и алгоритмы селекции НДЦ с применением многоскоростной адаптивной фильтрации.
Предложены способы совмещения апертур двухдиапазонной ДНА и модификация структуры цифрового приемника траєкторного сигнала на их основе.
Проведены исследование и оценка эффективности способов и алгоритмов формирования РЛИ и селекции НДЦ с применением многоскоростной адаптивной фильтрации.
Практическая значимость. Предложенные способы построения структуры цифрового приемника траєкторного сигнала и алгоритмы его обработки позволяют:
Многократно (на порядок и более) уменьшить объем вычислительных затрат и памяти данных при решении задач радиовидения в реальном времени, за счет введения предварительной обработки с многоступенчатым понижением частоты дискретизации.
Увеличить разрешающую способность БРЛК по азимутальному направлению в режимах переднего и переднебокового обзора путем адаптации к спектральной структуре траєкторного сигнала и увеличения интервала синтезирования РЛИ.
Повысить вероятность обнаружения и разрешающую способность БРЛК в режиме селекции НДЦ при использовании перестраиваемого режекторного фильтра и последующей многоскоростной частотно-временной обработки с адаптацией к спектральной структуре траєкторного сигнала.
4. Многократно (почти на порядок) увеличить разрешающую способность
БРЛК в режиме переднего обзора путем введения двухдиапазонной ФАР и со
ответствующей модификации структуры цифрового приемника траєкторного
сигнала.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ФГУП «ГРПЗ» при модернизации серийно выпускаемых БРЛК систем управления вооружением ( СУВ с БРЛК Н001 ) для самолетов Су-ЗОМКК и Су-30МК2. Планируется их дальнейшее внедрение для отечественных самолетов Су-27М, а также транспортного вертолета Ми-8ГМ.
Основные положения, выносимые на защиту.
Способы построения структуры цифрового приемника траєкторного сигнала на основе многоскоростной адаптивной фильтрации в режиме ДОЛ секторного и панорамного обзоров с покадровым формированием РЛИ, отличающиеся многоступенчатой реализацией набора полосовых фильтров-дециматоров предварительной обработки, что позволяет многократно уменьшить объем вычислительных затрат и памяти данных.
Способы построения структуры цифрового приемника траєкторного сигнала в режиме селекции НДЦ, отличающиеся использованием многоскоростной адаптивной обработки как на этапе режекции узкополосной помехи от земной поверхности и неподвижных объектов, так и на этапе последующего частотно-временного разделения сигналов от НДЦ, что позволяет повысить эффективность обнаружения НДЦ и уменьшить вычислительные затраты.
Алгоритмы обработки траєкторного сигнала на основе многоскоростной адаптивной фильтрации в режимах ДОЛ, ФСА и СНДЦ секторного, телескопического и панорамного обзоров, позволяющие увеличить разрешающую способность приемника и, как следствие, улучшить качество формирования РЛИ.
Оценки влияния рассогласования параметров траєкторного сигнала и опорной функции, а также шума приемника на качество формирования РЛИ в режиме ФСА и рекомендации по выбору числа опорных функций и интервала синтезирования.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 17-й и 18-й НТК НИИ приборостроения имени В.В. Тихомирова ( г.Жуковский, 2002 и 2005 гг. ); симпозиуме «Электронное управление лучом в бортовых радиолокационных комплексах» ( г. Рязань, 2000 г. ); 9-й МНТК «Цифровая обработка сигналов и ее применение-Б8РА'2007» ( г. Москва, ИПУ РАН, 2007 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ, среди которых: 4 статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК, 4 патента на способ, 3 статьи в центральных профильных журналах, 6 докладов в трудах и тезисах международных и отраслевых конференций и одно авторское свидетельство на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии из 47 наименований, 1 приложения. Содержание работы изложено на 154 с. основного текста, включая 51 иллюстрацию, 5 с. библиографии и 2 с. приложений.
Режимы картографирования земной поверхности, задачи и методы формирования радиолокационного изображения и селекции наземных движущихся целей
Режимы радиолокационного картографирования земной поверхности предназначены для получения радиолокационных изображений («карт») поверхности, выводимых на экраны электронных индикаторов в координатах «азимут-наклонная дальность». Карта такого формата может выводиться на индикатор в прямоугольном или секторном виде. В первом случае изображение на экране имеет прямоугольную форму (азимут по горизонтали, дальность по вертикали), во втором - форму сектора, по размерам и расположению на экране соответствующего секторной форме наблюдаемого участка поверхности.
Картографирование поверхности осуществляется путем облучения по--верхности зондирующим сигналом и последующего приема и обработки отра женных сигналов. Яркость точки на радиолокационной карте определяется уровнем сигнала, отраженного от облученного радиоволнами элемента поверхности, имеющего соответствующие азимут и наклонную дальность относительно самолета. Обычно яркость точки на экране тем больше, чем больше амплитуда принятого отраженного сигнала, однако иногда используется вывод изображения в инверсном виде (в «негативе»).
Так как различные типы поверхностей и естественные и искусственные объекты обладают различной отражающей способностью, наблюдая радиолокационные карты поверхности, можно обнаружить и распознать радиоконтрастные элементы поверхности (моря, реки, озера, леса) и искусственные объекты (населенные пункты, дороги, суда, наземные транспортные средства, линии передач и т.д.). После обнаружения цели можно поставить ее на автоматическое сопровождение, при котором производится непрерывное измерение ее координат относительно самолета.
В настоящее время на борту самолета в режиме «воздух-поверхность» операции обнаружения, распознавания и постановки целей на сопровождение выполняются непосредственно экипажем по РЛИ на экранах индикаторов. Этим режим «воздух-поверхность» отличается от режима «воздух-воздух», в котором многие аналогичные функции выполняются автоматически цифровым вычислительным комплексом.
Для обнаружения и опознавания на радиолокационной карте поверхности, она должна выделяться из других элементов карты. Количественной характеристикой этой функции служит разрешающая способность сформированной карты. Разрешающая способность определяет возможность раздельного обнаружения на полученном РЛИ близко расположенных целей. Наиболее наглядным способом оценки разрешающей способности служит замер предельного сближения двух одинаковых целей, при котором на индикаторе их отметки воспринимаются в виде отдельных неслитных отметок, разделенных темным промежутком. Разрешение на карте зависит как от разрешения самого индикатора, так и от разрешающей способности режима картографирования.
Разрешение индикатора выражается в количестве отдельных элементов (пикселов), формирующих картину на экране индикатора. В нашем случае индикатор имеет 512 элементов по горизонтали (азимуту) на 480 элементов по вертикали (дальности). Разрешающая способность режима определяет необходимый разнос целей по какой-либо координате, при котором в канале обработки сигнала их отметки формируются раздельно. Так как карта строится в координатах «азимут-дальность», то разрешающая способность режима оценивается отдельно - по дальности в метрах, по азимуту в градусах или угловых минутах. В спецификации режима обычно указывается предельная (наилучшая) величина разрешающей способности.
Остановимся подробнее на влиянии разрешающей способности индикатора на достижимое разрешение карты РЛИ. Поскольку телевизионное изображение на экране обладает ограниченным количеством элементов разрешения — 512 на 480 элементов, то предельное разрешение РЛИ по дальности или азимуту может быть реализовано при наблюдении участка поверхности только определенного размера. Например, если предельное разрешение по дальности со- ставляет 25 метров, этой же величине должен соответствовать элемент разрешения индикатора. Следовательно, весь размер карты по дальности составит 25 м х 480 м = 12000 м. При выводе на индикатор участков больших размеров наилучшее разрешение по дальности не реализуется, так как несколько элементов разрешения РЛИ потребуется выводить в один пиксел индикатора. Если же взять участок картографирования менее 12 км, придется выводить один элемент разрешения РЛИ в несколько пикселов индикатора. Таким образом, при выборе величин зон обзора картографирования необходим учет этого фактора. Актуальной является также проблема интерполяции и децимации двумерных РЛИ при выводе на экран индикатора.
В соответствии с техническими требованиями режима «воздух-поверхность» в его состав включены следующие режимы работы БРЛС: 1. Обзорные режимы картографирования: - обзор поверхности реальным лучом («низкое разрешение» - «HP»); - обзор поверхности с доплеровским обужением луча («среднее разрешение» - «СР»); - обзор поверхности с селекцией наземных (надводных) движущихся целей («СНДЦ»); - обзор морской поверхности реальным лучом («Море»). 2. Микропланы участков земной и морской поверхности: - в режимах картографирования реальным лучом; - в режиме доплеровского обужения луча; - в режиме фокусированного синтезирования апертуры («высокое разрешение» - «ВР»). 3. Режим запоминания радиолокационной карты («Память»). 4. Режим сопровождения наземных целей. 5. Режим измерения дальности до земли («ИДЗ»).
Способы и алгоритмы повышения разрешающей способности цифрового приемника траєкторного сигнала в режиме ДОЛ
В режиме ДОЛ существенное ограничение угловой разрешающей способности по азимуту связано с уходом доплеровских частот (2.3). Однако, скорость ухода зависит от азимутального положения центра ДНА и от расстояния до точечного объекта. Поэтому, несмотря на сужение полосы частот траєкторного сигнала с уменьшением азимутального положения ДНА 9Н , почти пропорционально уменьшается скорость ухода доплеровских частот, что позволяет пропорционально увеличить время синтезирования Т и, соответственно, сохранить заданное угловое разрешение. Вся проблема - в отпущенном времени на формирование РЛИ и в выборе алгоритма обзора земной поверхности и обработки траєкторного сигнала. С целью наглядной иллюстрации предлагаемых ниже способов и алгоритмов формирования РЛИ на основе МОС, рассмотрим конкретный пример.
Пусть заданы следующие диапазоны обзора: дальность от 80 км до 160 км (средняя дальность) и от 10 км до 20 км (ближняя дальность). Длина волны Л = 0,03 м, скорость прямолинейного полета V = 200 м\с, обзор секторный в диапазоне от -60 до +60 с шагом 2 (ширина ДНА - 2). В таблице 1 представлены результаты расчета частотно-временных параметров системы ЦОС, выполняющей спектральную обработку траєкторного сигнала в реальном времени, для каждого к -го положения центра ДНА в диапазоне дальностей от 80 км до 160 км. Здесь: 0Qk - азимутальный центр ДНА в к -ом положении; Fff - средняя доплеровская частота; F„ и F„ - минимальное и соответственно максимальное значение доплеров-ской частоты; AF„ - ширина полосы доплеровских частот при к -ом положении ДНА; Тс и Г, - допустимое и фактическое время синтезирования РЛИ при однократном измерении по N = 16 и по N = 64 частотным каналам; у - максимально допустимый коэффициент прореживания ( децимации ) выходного сигнала, отвечающий условию у Fn/2AF
Предполагается, что частота повторения зондирующего сигнала Fn = 800 Гц (крайняя справа колонка относится к диапазону дальностей от 10км до 20 км, когда частота повторения увеличивается в 8 раз).
Анализ расчетных данных, представленных в таблице 2.1, позволяет сделать следующие выводы [36]:
1. С уменьшением азимутального направления центра ДНА от 59 до 3 ширина полосы доплеровских частот ЛРД уменьшается с 400 Гц до 24 Гц, т.е„ приблизительно в 16 раз, что позволяет уменьшить частоту дискретизации траєкторного сигнала соответственно от 2 до 16 раз, используя цифровые полосо- -вые фильтры-дециматоры [17].
2. Допустимый интервал синтезирования Т пропорционально увеличивается с уменьшением азимутального направления центра ДНА от 0,2 с до 2,48 с, т.е. в 12,4 раза, что при определенном запасе в выборе разрешающей способности по частоте позволяет сохранить высокое азимутальное разрешение во всей полосе обзора от от -60 до +60 (за исключением переднего участка от -2 до +2), однако требует значительного увеличения времени обзора.
3. Максимально допустимое число частотных (азимутальных) каналов в полосе траєкторного сигнала (для диапазона от 80 км до 160 км) N = 64 прак- тически не зависит от скорости носителя V, если с уменьшением (увеличени ем) скорости и пропорциональным сужением (расширением) полосы доплеров-ских частот адаптивно увеличивать (уменьшать) время синтезирования.
4. Потенциально достижимая разрешающая способность по азимуту позволяет сформировать до 3840 азимутальных элементов в полосе обзора от -60 до +60, что значительно превышает число одновременно выводимых на экран индикатора элементов изображения в одной строке, а значит - требуется разработка алгоритма оперативного обзора с избирательной разрешающей способностью (желательно адаптивного).
Способ построения структуры цифрового приемника траєкторного сигнала в режиме ФСА
Прежде всего, отметим, что в соответствии с (3.4), максимальный уход доплеровскои частоты, пропорциональный расширению его спектра, за время синтезирования РЛИ составит [40]: 2V2T ,ax(Tc) = -— sm20„n .
Однако, это сравнительно небольшая величина по отношению к ширине спектра траєкторного сигнала без учета ухода частоты, даже при относительно узкой ДНА шириной раскрыва 2 . Так, например, для заданного в [37] контрольного примера: V = 200 м/с, Л 0,03 м, Rh = 100 км, вп =28 и времени синтезирования Тс — 3,64 с ( что обеспечивает в режиме ФСА линейное азимутальное разрешение 5 м), максимальное расширение спектра частот AF = 9,6 Гц при исходной ширине спектра траєкторного сигнала, равной 226 Гц.
Произведенная оценка расширения спектра траєкторного сигнала, обусловленного его ЛЧМ модуляцией, позволяет сделать вывод о незначительном влиянии этого фактора на выбор частоты повторения зондирующих импульсов. Вместе с тем обеспечение заданного линейного разрешения по азимуту ( 5 м на расстоянии 100 км ) достигается на интервале синтезирования Тс = 3,64 с, а, следовательно, при требуемом частотном разрешении, ориентировочно равном 0,3 Гц. Таким образом, за время синтезирования доплеровские частоты «пробе- -гают» до 32 частотных каналов. С тем, чтобы «остановить» их, необходимо формирование опорных функций (3.9) с точностью, гарантирующей, что за время синтезирования РЛИ частотное рассогласование между опорной функцией и траекторным сигналом в соответствующей области частот не превышало потенциально достижимое частотное разрешение 4/тах = Уг ( 0,3 Гц в конкретном примере ).
Данное предположение позволяет, в свою очередь, оценить минимально необходимое число опорных функций, отвечающих заданному выше требованию с позиции допустимого рассогласования доплеровских частот. Рассогласование может возникать вследствие одного из двух факторов: несовпадения параметров траєкторного сигнала и опорной функции по дальности или по азимуту.
В первом случае, рассогласование по дальности на AR дает частотное рассогласование на величину: А/ З ІпЧАЯ, (ЗЛО) а во втором случае, рассогласование по азимуту на величину Ав приведет к уходу доплеровской частоты на величину: С тем, чтобы этот уход по частоте за время синтезирования РЛИ Тс не превысил потенциальную разрешающую способность JZ , должны выполняться следующие условия [40]: 2V2T2 sin2 в.. 2V2T2 sin20и AR 22" ; Ав . ," , (3.12) или с учетом приближенного соотношения между угловым и линейным азимутальным разрешением SI = A6RU :
Для рассматриваемого примера: Я = 0,03 м, RH =100 км, Тс = 3,64 с, F = 200 м/с, б1,, = 28 , допустимое рассогласование по дальности AR =1,14кмипо азимуту А51 = 0,328 км. Если при этом размеры фрагмента телескопического обзора (1,28 х 1,28) км, то для формирования РЛИ достаточно одной опорной функции на все элементы дальности и не менее 4-х различных опорных функций на азимутальные элементы. Таким образом, общее число опорных функций, а, следовательно, и емкость памяти коэффициентов уменьшаются в 16 тысяч раз!
Еще один фактор, влияющий на требуемую память весовых коэффициентов - это частота повторения зондирующих импульсов, а точнее - потенциально возможное понижение частоты дискретизации траєкторного сигнала с помощью входного фильтра-дециматора предварительной обработки.
Как и в рассмотренном в главе 2 режиме ДОЛ для секторного обзора, прием траєкторного сигнала предлагается вести с использованием многоскоростной адаптивной обработки по структуре, представленной на рис. 3.2.
В зависимости от азимутального положения центра выбранного фрагмента РЛИ и его размеров, вектор параметров р определяет настройку полосы пропускания ЦФД на выделяемую полосу частот траєкторного сигнала. Поскольку полоса частот последнего сужается от 400 Гц до 80 Гц для сектора шириной 2 при изменении направления ДНА от 60 до 10 [36], а полоса фактически выделяемых частот уменьшается пропорционально уменьшению азимутального размера фрагмента РЛИ, то коэффициент децимации v ЦФД может меняться в широких пределах. Например, для фрагмента 256x256 пикселов с линейным разрешением 5 м ширина полосы частот приблизительно в 3 раза меньше ширины полосы частот всего траєкторного сигнала, а значит -коэффициент децимации v лежит в пределах от 3 до 12, уменьшая в соответствующее число раз размерность обрабатываемых далее отсчетов предварительно преобразованного траєкторного сигнала, а, следовательно, и память коэффициентов. Отметим также, что уменьшение размерности массивов обрабатываемых данных и скорости их ввода - это эффективный способ уменьшения общих вычислительных затрат и собственного шума.
Последующая корреляционная обработка выделенного фрагмента траєкторного сигнала у(пТ2) предполагает для каждого элемента дальности исполь- зование в общем случае h = 256 компенсаторов ЛЧМ (КЛЧМ) и 256 опорных функций. Вместе с тем, как показал приведенный выше анализ влияния рассогласования параметров опорных функций и траєкторного сигнала, число различных опорных функций в данном конкретном примере может быть уменьшено до m = 4. В этом случае достаточно выполнить компенсацию линейной частотной модуляции с использованием только 4-х опорных функций, а последующее разделение каждой составляющей по 64 частотным каналам произвести с помощью ДПФ размерностью N, которая определяется длительностью интервала синтезирования и частотой дискретизации сигнала у(пТ2) на выходе фильтра-дециматора.
Алгоритмы селекции НДЦ на основе пространственно-частотной обработки траєкторного сигнала, доплеровской фильтрации и спектрального анализа
Пространственно-частотная селекция НДЦ выполняется путем формирования узкой ДНА и ее сканирования или ориентации на азимутальное направление движущейся цели. Обнаружение НДЦ на фоне неподвижных объектов и подстилающей земной поверхности достигается при выходе доплеровской частоты цели за границы полосы частот траєкторного сигнала, формирующего РЛИ земной поверхности (представляющего в данном случае мощную помеху).
Общую структуру устройства обнаружения и измерения параметров движущихся объектов путем секторного обзора и доплеровской фильтрации можно представить в виде последовательного соединения трех функциональных блоков (рис. 4.2): адаптивного режекторного фильтра (АРФ), подавляющего помеху от неподвижных объектов и земной поверхности, процессора дискретного преобразования Фурье (ДПФ) на N частотных каналов, разделяющего допле-ровские частоты от НДЦ, движущихся с различной скоростью, и решающего устройства, выполняющего функцию собственно обнаружителя и измерителя параметров движения целей.
Как отмечалось ранее, основная проблема классической фильтрации НДЦ заключается в плохой селекции малоподвижных целей на фоне подсти- лающей земной поверхности, и главную роль здесь играет АРФ, параметры которого должны подстраиваться таким образом, чтобы максимально исключить паразитное влияние фона. Простейшим решением является обычный высокочастотный фильтр с перестраиваемой полосой режекции. Чем уже ширина спектра фона, что наблюдается при положении центра ДНА близком к направлению движения носителя БРЛК (передней обзор), тем уже должна быть полоса режекции. И, наоборот, при боковом обзоре полоса режекции максимально расширяется, что в значительной степени затрудняет обнаружение НДЦ по радиальной составляющей скорости их движения.
В таблице 4.1 приведены расчетные данные, иллюстрирующие диапазон изменения минимальной радиальной скорости, обнаруживаемой НДЦ для различных азимутальных положений ДНА вк. Предполагается, что скорость носи- теля БРЛК V = 200 м/с, длина волны Я = 0,03 м, центр ДНА шириной 2 в начальный момент совмещен с истинным азимутальным положением НДЦ (если V?=0,TO рч=е„).
Заметим, что приведенные в таблице 4.1 данные ориентированы только на положение НДЦ по центру ДНА и отражают среднее значение скорости. При азимутальном положении НДЦ на краях минимальная скорость обнаружения цели может меняться теоретически от нулевой до удвоенного значения. Минимальное время обнаружения Г0пііп определялось эффективной шириной полосы режекции с подавлением до 80 дБц. Отметим, что время обнаружения НДЦ соизмеримо (не превышает) с временем синтезирования РЛИ в режиме ДОЛ [36]. Приведенная выше оценка минимального времени обнаружения НДЦ определяется фактически временем реакции режекторного фильтра на входное воздействие (эффективной длиной его импульсной характеристики). Заметим, что при сужении полосы режекции АРФ (при переднем обзоре) и, соответственно, расширении диапазона обнаруживаемых целей в сторону все меньших радиальных скоростей, пропорционально растет время обнаружения 7 0min (в 16 раз по отношению к боковому обзору, под углом 60). Поэтому эффективное обнаружение малоподвижных целей возможно только при условии, что на всем интервале обнаружения/измерения объект продолжает свое движение с постоянной радиальной скоростью (по крайней мере без «замираний»). При маневрировании цели, например, с максимальным радиальным ускорением ац = 10м/с2 на интервале обнаружения равном 0,1 с доплеровская частота может уйти на 66,7 Гц (для принятых ранее параметров движения носителя БРЛК). А это означает, что за время обнаружения объект, находящий вблизи границы доплеровских частот НДЦ, может попасть в «тень» полосы доплеровских частот от земной поверхности. Вместе с тем, подобный уход доплеровских частот НДЦ в полосе частот выше 100 Гц (когда радиальная скорость V 5,4 км/час) не приводит к каким-либо потерям с позиции гарантированного обнаружения движущихся объектов. Следовательно, необходимо компромиссное решение между требованием высокой режекции, с одной стороны, и максимальной по длительности реакцией фильтра, с другой стороны. В дальнейшем, предполагается, что эффективная длительность импульсной характеристики АРФ соизмерима с интервалом последующего измерения доплеровских частот с помощью N -точечного процессора ДПФ, который определяет требуемую разрешающую способность по частоте и, соответственно, достижимую точность измерения радиальной скорости НДЦ.
Эффективная реализация узкополосного перестраиваемого АРФ в общей структуре цифрового приемника траєкторного сигнала является отдельной задачей, требующей неординарного подхода к ее решению с позиции достижимых характеристик частотной избирательности с учетом минимизации вычислительных затрат. Представляется, что в основе синтеза структуры узкополосного АРФ должно лежать сочетание адаптивной и многоскоростной обработки сигналов [17,35]. На рис. 4.3 дан пример реализации узкополосного режектор-ного фильтра с элементами децимации и интерполяции траєкторного сигнлала.
Структурная схема узкополосного режекторного КИХ-фильтра Задержка сигнала х(п) по верхней цепи на N периодов дискретизации обусловлена эквивалентной задержкой, которую вносит последовательное соединение фильтров НЧФ! и НЧФ2 в нижней цепи. Предполагается, что синтез структуры режекторного фильтра ведется в классе КИХ-цепей, обладающих абсолютной устойчивостью и стабильностью характеристик, а также сравнительно простой реализацией алгоритмов адаптации и перестройки параметров.
