книги / Обнаружение, распознавание и пеленгация объектов в ближней локации
..pdfлее узкий, а боковые лепестки подавляются полностью, по скольку значения z(0) положительны только в пределах главного
лепестка диаграммы направленности. При этом (см. рис. 6.32) сис тема с регрессионной обработкой незначительно сложнее сис темы с линейной обработкой. В нее включены дополнительно N выпрямителей, N вычитающих устройств, сумматор, управляе мый усилитель и устройство, задающее коэффициенты К. В схеме’отсутствуют перемножители сигналов, которые необхо димы в корреляционной системе. Именно они и вносят наи большие погрешности.
6.4. Информационные системы со спектральным способом обработки сигналов
Вакустических, сейсмических и гидроакустических системах
сдвухэлементной АР и широкополосными сигналами на входе возможен синтез апертуры и сканирование направлением главного максимума ДН. Исследование ДН системы с синтезированной апертурой будем проводить при следующих допущениях.
На ограниченном интервале наблюдения Тс реализации £,(/) и
Т),(г) эргодических случайных процессов на выходах приемных элементов могут быть подвергнуты дискретному преобразованию Фурье (ДПФ), при этом шаг по частоте в спектре сигналов (nQ) и STii (иQ) будет 0 = 2я/Гс = 2я/ь f\ = 1 /Гс. При часто
те пО. = и2тс/1 длина волны акустических колебаний составит
X„=V— = ^ пС1 п
где V— скорость распространения колебаний (скорость звука). При расстоянии между приемными элементами d отношение
d _ dn
будет равно— .
Для нижней частоты в спектре (и = 1) q{ = d/(VTc). Если дли тельность реализации Тс выбрать таким образом, чтобы при базе d
отношение qx= 0,5, то с ростом частоты отношение q„ будет крат но qx= 0,5, т.е. ДПФ широкополосного сигнала позволяет полу чить q„, кратное qx>и максимальное значение п = N при этом будет определяться верхней частотой в спектре сигнала / в:
N = 2п/в _ f T
О.Л с'
Представим оценки двусторонних спектральных плотностей
ЛЛ
S%, («О) и £ л, (лО ), вычисленных по реализациям £,(0 и г),(/) на /-м отрезке времени, в виде
S%, (п2п/ х) = (п2п/х)ехр[уф4( (и2я/,)];
Л
S n, (и2я/,) = ФЛ( («гя/^ехр^-ф^ (л2я/;)].
На конечном интервале О...Тс определим оценку взаимной
спектральной плотности:
*
^ ftn. (n2nf \ ) = К ( п 2 п / \ )&l (n2nf \ ) 1ТС-
При переходе к односторонним энергетическим спектральным плотностям и при усреднении полученных оценок по nd отрезкам реализаций входных процессов получим
' |
2 |
<55(»2яЛ ) = - ? |
- | ; ф 51(п2я Л); |
l zn d /=1
<вц (n2ltf ) = r r - Z ^ ,i- ("27l/ i )»
Lzn d /=1
(»2яЛ )5п, (П2я/,).
Усnd /=1
Оценку аргумента взаимной спектральной плотности запишем в виде
Мультипликативная обработка широкополосных сигналов
Используя полученные оценки спектральных плотностей про
цессов на входе приемных антенн <3Ц(п2п/ \ ) или |
{n2nf\) и ар |
гумента взаимной спектральной плотности |
(и2л/5), можно |
осуществить синтез апертуры ФАР и сканирование направлением главного максимума ДН синтезированной ФАР. На основании (6.72) и изложенного выше ненормированный множитель решетки будет представлен в виде
C'(0,0o) = Z ^ ( « 2^ ) cosk 4 («2л^)-/7Ду0о], |
(6.97) |
л=1 |
|
где хп — множители, определяемые выбранным пространствен ным окном для непрореженной эквидистантной решетки;
AV(0o) = -^— ;smeo> |
^ i = V |
Л-i |
J\ |
Тогда множитель синтезированной ФАР
(6.98)
с шах^о>>
где
CL,(во)=Е^<55(»2яЛ).
л=1
Используя выражения (6.97) и (6.98), можно на основе сигна лов, полученных в натурных условиях, исследовать феноменоло гические модели объектов и реверберационные явления и обосно вать частотные характеристики трактов корреляционных пеленга торов для решения задач пеленгации локализованных источников излучений на фоне распределенных в пространстве помех.
Пеленгацию локализованного источника в простейшем слу чае можно осуществить, сравнивая выражения (6.98) с выбран ным порогом. Оценку угла пеленга на объект 0О можно найти
из текущего значения Av|/(0o), при котором произошло Превы шение порога.
ан Н- -I 4-1 I I I 1
0,6-------------------------------------------------------------
0,4--------------------------------- |
1---------------------------------- |
|
|
\ d . Л\ Л / ^ |
Л ъ И - J |
\ г Л и Л |
4 W / ч / |
-50 -40 -30 |
-20 -10 0 |
10 20 |
30 40 0, 0 |
Рис. 6.34. Диаграмма направленности синтезированной ФАР с широкополосными сигналами при апертуре а = 20Хо и рас пределении весовых коэффициентов х„ в соответствии с прямоугольным окном в непрореженной ФАР (q\ - 0,5, а*= 1)
Рис. 6.35. Диаграмма направленности синтезированной ФАР с широкополосными сигналами при апертуре а = 20Хо и рас пределении весовых коэффициентов х„ в соответствии с ок ном Ханна в непрореженной ФАР (qt = 0,5, а2= 1)
В ФАР с широкополосными сигналами и синтезированной ДН возможно практически полное подавление боковых лепестков (рис. 6.34, 6.35).
Приведенные результаты могут быть использованы также и для синтеза пеленгаторов с трактами обработки сигналов, реализо ванными на специализированных ЭВМ.
Пространственная обработка сигналов с выходов многоэлементной приемной системы
Расстояние между приемными элементами /й от эквидистант ной линейной решетки, состоящей из Р элементов (q = 0...Р - 1), будет |/ - m\d, где d — расстояние между соседними элементами решетки.
Для пеленгации локализованных объектов на фоне распреде ленных в пространстве помех с полностью подавленными боко выми лепестками в синтезированной апертуре можно применить мультипликативный способ обработки сигналов с выходов прием ных элементов. Тогда ненормированный множитель решетки бу дет иметь вид
С'р (90 ) = £ |
х„£ xq G(и2я/, )COS[9 (H27I/, ) - иДу, (0О)], |
/1=1 |
<7=1 |
где хп и хд — множители, определяемые выбранным пространст венным окном для непрореженной ФАР; q = |/ - т\, I и т — номера приемных элементов; G{n2nf\) — сглаженные оценки отсчетов спектральной плотности сигналов на выходах приемных элементов;
M'<7(0 o) = 'l ~ s i n ( e o).
к \
Выше рассмотрена задача формирования ДН для пеленгации локализованных объектов на фоне распределенных в пространстве помех. Для пеленгации заданного типа объекта на фоне помех должна быть решена задача распознавания типа объекта.
Пеленгация локализованного объекта на опорном направле нии, характеризуемом углом 60, требует формирования диаграм мы направленности приемной системы с главным максимумом в данном направлении и принятия сигнала от объекта с данного на правления. Чтобы распознать сигналы, их необходимо принять без искажений в заданной полосе частот, поэтому нельзя применять мультипликативную обработку сигналов. В этом случае необхо дима аддитивная обработка с выходов эквидистантной линейной АР.
Если за опорный принять элемент антенной решетки с индек сом 0, то при угле пеленга 0Озадержка во времени сигнала на вы ходе к-го элемента относительно нулевого будет
М е о )= * 'о (е 0).
где V— скорость распространения колебаний. Интервал дискретизации входных сигналов yk(t)
Тогда сдвиг последовательности отсчетов ук(п), соответствую щий запаздыванию хк,
М е , ) = ™ ,
и соответствующий отсчет входного сигнала с компенсацией сдви га Ак(0О) запишется в виде ук [п + Ак(0О)].
Дискретизированную реализацию сигнала с опорного направ ления 0О на выходе линейной эквидистантной ФАР с аддитивной обработкой представим следующим образом (см. 2.2):
0 О ] = £ ЧУк[« + А т а х (во ) - А * (еО )]. » = 0+N,
Л=0 где хк — множители, определяемые выбранным пространствен
ным окном; Лтах(0о) — максимальное запаздывание на р-м эле менте.
Полученная таким образом реализация сигнала может быть использована для распознавания типа запеленгованного на опор ном направлении 0Ообъекта с использованием, например, нейро алгоритма.
Контрольные вопросы и задания
1.Сравните методы формирования ДН антенн и принципы построе ния приемных каналов информационных систем.
2.Какие взаимные статистические характеристики могут быть ис пользованы в АИС БЛ для решения задачи пеленгации локализованных источников излучения на фоне распределенных в пространстве помех?
3.Оцените влияние знаковых нелинейных безынерционных преобра зований процессов на входах многоканальных пеленгаторов на взаимные корреляционные функции сигналов.
4.Дайте характеристику свойств взаимного спектра сигналов от ло кализованных объектов на фоне распределенных в пространстве помех в
многоканальных пеленгаторах, позволяющих оценить угол визирования локализованного объекта.
5.Опишите возможные пути реализации дискретно-аналоговых трактов пеленгаторов с временным способом обработки сигналов.
6.Оцените влияние базы и относительной ширины энергетического спектра процессов на входе на точность пеленгации объектов пеленгато ров корреляционного типа.
7.Сравните линейные ФАР с аддитивной и мультипликативной об работкой сигналов.
8.Оцените влияние пространственных окон на функции направлен ности линейных ФАР.
9.Сравните функции направленности прореженных и непрореженных линейных ФАР.
10.Охарактеризуйте функции направленности многоканального пе ленгатора с регрессионной обработкой сигналов с выходов ФАР в зави симости от параметров алгоритма обработки сигналов.
11.Опишите способы формирования ДН в пеленгаторах с мультип ликативной обработкой широкополосных сигналов.
12.Каким способом можно осуществить сканирование направлени ем главного максимума диаграммы направленности пеленгатора с про странственно-широкополосными сигналами на входе?
13.Составьте структурную схему пеленгатора локализованных ис точников излучений с широкополосными сигналами на входе и с двух элементной антенной системой.
7. ФОРМИРОВАНИЕ НЕПЕРИОДИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ СЕЛЕКЦИИ В РАДИОЛОКАЦИОННЫХ АВТОНОМНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
7.1. Формирование функций селекции в когерентных радиолокационных информационных системах
с непрерывным излучением
Одним из способов повышения помехоустойчивости АИС при работе по малоконтрастным объектам в ближней локации является применение комбинированной частотной модуляции (ЧМ) несу щей периодическим и шумовым процессами и спектрального спо соба обработки сигналов, дающих возможность определять даль ность и относительную радиальную скорость сближения с объектом. В существующих системах с периодической модуляцией не удает ся реализовать функцию селекции (ФС), равную нулю, на дально стях, превышающих рабочую дальность АИС. В системах с шумо вой частотной модуляцией сложно совместно реализовать высо кую разрешающую способность и требуемую функцию селекции в заданном диапазоне рабочих дальностей. Наиболее опасными яв ляются пассивные и активные помехи и помехи от мощных ретрансляционных станций (до 10 кВт), которые переизлучают принятый сигнал в направлении АИС, имитируя сигнал от объек та. Поэтому для обеспечения требуемой помехоустойчивости при работе на фоне искусственных помех по малоконтрастным объек там необходимо сформировать ФС, равную нулю, за пределами рабочей дальности АИС.
Поставленную здесь проблему предлагается решать на основе применения в АИС комбинированной ЧМ несущей периодическим и шумовым процессами и регрессионного или нейросетевого трак та обработки, который позволяет селектировать сигналы по отно-
сительной ширине полосы энергетического спектра на частоте Доплера.
Рассмотрим результирующее колебание на выходе смесителя в традиционной схеме приемного устройства, состоящего из при емной антенны, смесителя, полосового усилителя сигнала т-гар моники, фазового детектора и полосового доплеровского усилите ля [17].
Представим излучаемый сигнал в виде
i i
U(t) = E0 cos со0/ + Дюу J y(z)dz +Aco^ j£,(z)dz
где co0 — несущая частота; y(t) — модулирующий периодиче ский процесс; Д<ву и Дсо^ — девиации частоты для ЧМ несущей
периодическим и шумовым процессами соответственно; £(/) — стационарный нормальный случайный процесс с единичной дис персией и нулевым средним значением.
При модуляции несущей периодическим процессом, изме няющимся по несимметричному пилообразному закону с нулевым обратным ходом, сигнал доплеровской частоты, выделяемый фа зовым детектором на выходе усилителя доплеровской частоты (УДЧ), может быть записан следующим образом [17]:
С/Фд(0 = ЕсКВт cos(coflr + Фс + Рт+ Дю4(0),
где К — коэффициент усиления; Ес — амплитуда сигнала; Втс —
амплитуда т-й гармоники; Фс и Рт — фазы. Нормированная ФС имеет вид [17]
|
|
г |
|
НФС(т0) |
sin7t(A/yT0 - т ) |
ДюЬГ |
(7.1) |
ехр |
|
я(Д/ут0 -ю ) V
Таким образом, сигнал на выходе фазового детектора пред ставляет собой колебание с частотой сод и огибающей, амплитуда
которой определяется произведением нормированных ФС, соот ветствующих периодической и шумовой ЧМ (рис. 7.1).
Чтобы оценить влияние шумовой ЧМ на спектр доплеровского сигнала при произвольном времени задержки т0, рассмотрим от-