Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Обнаружение, распознавание и пеленгация объектов в ближней локации

..pdf
Скачиваний:
20
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
12.6 Mб
Скачать

лее 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 Q) 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

л

л

 

л

 

QF(«2я/,)

Ф$л, (п2пЛ ) = Фл, (п2пЛ ) “ Ф*, (”27^

) = n c t g - ^ ----------,

 

 

 

 

 

С^, (n2n/t)

где

 

 

 

 

 

 

Ct.4, (п2п/[) = ф-

$л/ООЛл/(») + $« 0*)Л//00

 

 

Л

Л

Л

А

Л

Л

Л

Л

действитель-

Здесь %Я1(п),т\п (п),...,^п (п),цш(п) — оценки

 

 

 

 

Л

ных и мнимых частей спектральных плотностей

(«2л /,) и

Л

£ л, («2л У]), в которых опущена зависимость от частоты.

Тогда сглаженную оценку аргумента взаимной спектральной плотности можно получить в виде

1

Ф^ч, (”Щ ) = — 2>$л, ("2яЛ )• nd /=1

Поскольку в системах ближней локации, как правило, ампли­ тудные центры антенн совпадают, то

(«2TI/J ) = Gn(«2n/i) = G^ («2л/]).

Оценку функции когерентности можно переписать в виде

Y2(«2n/j) = -=;

( n 2 n f \ ) G d n2%f \ )

Значение квадрата функции когерентности позволяет опреде­ лить доверительный интервал оценки аргумента взаимной спек­ тральной плотности [2].

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 * О )]. » = 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-