Главная » 2014 » Июль » 28 » Скачать Анализ и оптимизация систем обнаружения многочастотных когерентно-импульсных сигналов на фоне коррелированных помех. Кирьянов, бесплатно
03:51
Скачать Анализ и оптимизация систем обнаружения многочастотных когерентно-импульсных сигналов на фоне коррелированных помех. Кирьянов, бесплатно
Анализ и оптимизация систем обнаружения многочастотных когерентно-импульсных сигналов на фоне коррелированных помех
Диссертация
Автор: Кирьянов, Владимир Владимирович
Название: Анализ и оптимизация систем обнаружения многочастотных когерентно-импульсных сигналов на фоне коррелированных помех
Справка: Кирьянов, Владимир Владимирович. Анализ и оптимизация систем обнаружения многочастотных когерентно-импульсных сигналов на фоне коррелированных помех : диссертация кандидата технических наук : 05.12.04 Рязань, 2006 189 c. : 61 06-5/3277
Объем: 189 стр.
Информация: Рязань, 2006
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СИНТЕЗА
ОБНАРУЖИТЕЛЕЙ-ИЗМЕРИТЕЛЕЙ МНОГОЧАСТОТНЫХ
СИГНАЛОВ
1Л Вводные замечания
12 Математическая модель многочастотных сигналов
13 Модели оптимальных обнаружителей многочастотных сигналов
14 Модели квазиоптимальных обнаружителей многочастотных сигналов
15 Модели измерителей радиальной скорости цели
16 Структурные схемы обнаружителей-измерителей многочастотных сигналов
17 Выводы
Глава 2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ АНАЛИЗА
ОБНАРУЖИТЕЛЕЙ-ИЗМЕРИТЕЛЕЙ МНОГОЧАСТОТНЫХ
СИГНАЛОВ
21 Вводные замечания
22 Модели анализа оптимальных систем обнаружения
23 Модели анализа квазиоптимальных систем обнаружения
24 Сравнительный анализ обнаружителей многочастотных сигналов
25 Точность измерения радиальной скорости цели
26 Выводы
Глава 3 ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И
РЕАЛИЗАЦИЯ ОБНАРУЖИТЕЛЕЙ-ИЗМЕРИТЕЛЕЙ
МНОГОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ
31 Вводные замечания
32 Имитационное моделирование обнаружителей-измерителей многочастотных сигналов
33 Имитационное моделирование многочастотных измерителей
34 Реализация обнаружителей-измерителей многочастотных сигналов
35 Выводы 139 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 142 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 146 ПРИЛОЖЕНИЯ 156 Приложение 1 Комплексы программ расчета и моделирования 156 Приложение 2 Акты внедрения
Введение:
Актуальность темы.
Повышение эффективности при обнаружении-измерении параметров отраженного сигнала с целью улучшения тактико-технических характеристик радиолокационных систем (PJIC) является неизменно актуальной задачей, стоящей перед разработчиками современных PJTC. Большое значение данной проблемы связано с ростом требований выдвигаемых к таким PJIC и увеличением количества одновременно решаемых задач в различных режимах работы. При этом к многофункциональным PJIC предъявляются противоречивые требования, которые трудно выполнить в рамках одноканальных систем. Решение данной задачи возможно при переходе к многоканальным системам одним из типов, которых являются многочастотные PJIC, более полном учете при разработке математических моделей статистических характеристик сигналов и использовании свойств многочастотных сигналов при их совместной обработке. Основополагающие работы в области теории обнаружения многочастотных сигналов и оценивания их параметров были сделаны такими учеными, как Тартаковский Г. П., Ширман Я. Д., Манжос В. Н., Григорин-Рябов В. В., Лукошкин А. П., Вишин Г. М., Бакулев П. А., Сосулин Ю. Г., Ван Трис Г., Фишман М. М., Попов Д. И., Лезин Ю. С. Мельников В. М. и др. Следует отметить, что для практики представляет интерес совмещение квазиоптимальных алгоритмов обнаружения и измерения, которые обладают простотой технической реализации. В данной диссертационной работе проводится исследование алгоритмов обнаружения-измерения многочастотных сигналов на фоне некоррелированных (внутренних) шумов.
В настоящее время полученные на основе метода статистического синтеза математические модели алгоритмов междупериодной обработки многочастотных сигналов не учитывают реальной модели сигнала, отраженного движущейся целью. Не в полной мере используются возможности многочастотных сигналов, применение которых позволяет повысить качество функционирования PJ1C, и решить проблему оптимального совместного однозначного измерения дальности и радиальной скорости цели в случае когерентно-импульсных сигналов высокой скважности.
Таким образом, на основании вышесказанного тема диссертации является актуальной и направлена на повышение качества функционирования PJIC и разрешение известных противоречий при совместном однозначном измерении дальности и радиальной скорости в случае многочастотных когерентно-импульсных PJIC одновременного излучения работающих в режиме высокой скважности.
Обзор литературы.
Возможность применения зондирующего сигнала состоящего из нескольких групп с различными несущими частотами и законами модуляции для увеличения дальности действия, повышения эффективности обнаружения, снижения ошибок слежения и увеличения помехоустойчивости рассматривалась в [1-3]. Кроме того, отмечалось, что роль многочастотных PJIC в дальней радиолокации движущихся целей будет возрастать [4]. В качестве алгоритма обработки многочастотных сигналов рассматривался отбор амплитуд огибающих отраженных сигналов по максимальному значению. Такой алгоритм обработки многочастотных сигналов обладает энергетическими потерями в пороговом отношении сигнал/шум и не позволяет в полной мере использовать возможности многочастотных сигналов. Кроме того, не рассматривается возможность использования многочастотных сигналов для решения задачи однозначного измерения радиальной скорости цели и повышения точности ее измерения.
В [5] рассматривалась математическая модель многочастотных сигналов, которая обеспечивала повышение вероятности обнаружения за счет сглаживания флюктуаций сигнала, отраженного от цели. Физически это объясняется тем, что диаграммы вторичного излучения цели, соответствующие различным несущим частотам, смещены относительно друг друга. При этом вероятность одновременного пропадания отраженного сигнала с несколькими несущими частотами меньше, чем одночастотного сигнала. Кроме того, для достижения максимального эффекта многочастотной радиолокации необходимо обеспечить статистическую независимость отраженных сигналов соответствующих различным несущим частотам [5]. Показано, что независимость отраженных сигналов не может быть обеспечена подбором законов модуляции, а достигается только при разносе несущих частот значение, которого было получено в [6]. При этом величина разноса несущих частот обратно пропорциональна радиальной протяженности цели. Кроме того, в [5] на основе метода статистического синтеза получен алгоритм обработки многочастотных сигналов, соответствующий когерентному и некогерентному накоплению в каждом частотном канале с последующим линейным суммированием результатов накопления и проведен анализ эффективности данных систем обработки многочастотных сигналов. В результате данного анализа определено число несущих частот, позволяющих достичь выигрыша близкого к максимальному в дальности действия многочастотной PJ1C, которое составляет всего две -четыре несущие частоты. Кроме того, показано, что при равномерном распределении излучаемой мощности между частотными каналами, преимущества многочастотных сигналов реализуются в области больших вероятностей обнаружения цели. Однако статистический синтез алгоритмов обработки многочастотных сигналов проведен без учета реальной модели отраженного сигнала и при рассмотрении алгоритма объединения частотных каналов не учитывается характер междупериодной обработки (когерентный или некогерентный) в частотных каналах. Многочастотные сигналы, в простейшем случае двухчастотный сигнал, так же оказываются эффективным средством борьбы со слепыми скоростями [4, 5]. При этом в такой двухчастотной когерентно-импульсной РЛС число слепых скоростей в диапазоне рабочих скоростей значительно меньше, чем в соответствующей ей одночастотной PJIC. Кроме того, проведено сравнение двухчастотной системы и системы со сменными периодами повторения импульсов. Показано, что первая система обработки при медленных флюктуациях обладает заметными преимуществами по сравнению со второй, что является следствием относительного уменьшения флюктуаций цели при многочастотном зондировании.
Анализ зависимостей характеристик обнаружения от числа несущих частот и произвольного количества импульсов в каждой частотной составляющей многочастотного сигнала проведен в [7, 8]. При этом числовые расчеты выполнены только для случая двухчастотной PJIC. На основании данного анализа показано, что при значительном отличии числа импульсов друг от друга эффективность многочастотной PJIC значительно падает. Кроме того, сокращение частотных каналов приводит к снижению дальности действия и помехозащищенности многочастотной PJIC.
Способы объединения частотных каналов многочастотных PJIC, без учета влияния характера междупериодной обработки, рассмотрены [9]. При этом возможны следующие варианты: линейное суммирование сигналов всех частотных каналов, попарное суммирование сигналов с последующим перемножением сумм, попарное перемножение с последующим суммированием произведений, перемножение сигналов всех частотных каналов. Показано, что первый вариант алгоритма объединения частотных каналов обеспечивает наибольшую вероятность правильного обнаружения при заданной дальности, но обладает в отличие от последнего варианта наименьшей помехозащищенностью и наоборот. Кроме того, наиболее полно преимущества многочастотных PJIC можно реализовать при излучении на нескольких несущих частотах в пределах одной диаграммы направленности в отличие от другого варианта, когда излучение на каждой несущей частоте осуществляется в пределах отдельной диаграммы направленности, которые смещены друг относительно друга в пространстве. Такие частотномноголучевые PJIC, как правило, используются для создания диаграмм направленности сложной формы.
В [10] рассмотрены способы формирования многочастотных сигналов, которые излучаются в пределах одной диаграммы направленности. Это быстрая перестройка несущей частоты PJIC и одновременное излучение сигналов с различными несущими частотами. Первый способ по сравнению с одновременным многочастотным излучением обладает дополнительным преимуществом в пороговом отношении сигнал/шум, так как при перестройке частоты увеличивается энергия каждого импульса. Однако при быстрой перестройке несущей частоты практически невозможно устранить зоны слепых скоростей, поскольку для этого необходимо перестраивать в широких пределах передатчик PJIC. Рассмотрены структурные схемы различных типов многочастотных PJIC непрерывного и импульсного излучения, которые получены на основе эвристического метода. Кроме того, в [10] рассматривается одно из главных преимуществ многочастотных PJIC -высокая помехозащищенность. Это является следствием применения зондирующих сигналов, которые занимают достаточно широкий диапазон частот. Показано, что основными факторами, определяющими степень улучшения характеристик многочастотных PJIC, являются: выбор способа формирования многочастотного сигнала; характер флюктуаций отраженных от цели сигналов; распределение мощности между частотными каналами; количество несущих частот и величина их разноса; соотношение между количеством импульсов в пачке, соответствующих различным несущим частотам; способ обработки отраженных сигналов.
Переход к многоканальным системам, в которых обработка отраженных сигналов производится одновременно в нескольких каналах, является одним из основных способов повышения эффективности PJIC и возможности выполнения возрастающих технических характеристик современных радиолокационных систем [11]. Одним из типов многоканальных систем являются частотно-многоканальные PJIC, в которых возможно применение частотно-разностного метода для расширения диапазона однозначно измеряемых радиальных скоростей цели [12]. Это особенно актуально в когерентно-импульсных PJIC, работающих в режиме высокой скважности. Структурная схема такой PJIC [12, 13] получена на основе эвристического метода и использует двухчастотный зондирующий сигнал. Данная система обработки позволяет выделять доплеровское смещение на разностной частоте. При этом максимальная однозначно измеряемая радиальная скорость цели возрастает обратно пропорционально разности несущих частот зондирующих импульсов по сравнению с одночастотным сигналом. Однако в такой PJIC не используются возможности многочастотных сигналов для повышения эффективности обнаружения отраженных сигналов.
Проблема повышения эффективности обнаружения-измерения актуальна и в метеорадиолокации, где также возможно применение многочастотных сигналов [14, 15]. Кроме того, использование многочастотного режима работы в метеорологических PJIC позволяет определять маловысотные сдвиги ветра и микротурбулентности, представляющих большую угрозу безопасности полетов, кроме того определение градиента скорости ветра позволяет определять возникновение смерчей [16, 17]. Это особенно важно в аэродромных PJIC, обеспечивающих безопасность полетов [18, 19]. Многочастотное излучение как один из режимов работы для увеличения количества получаемой информации применяется в космических PJIC [20, 21]. Многочастотная радиолокация, как одно из перспективных направлений развития [10], в настоящее время не утратила своей актуальности и находит применение в РЛС различного назначения. В частности, для изучения земных ресурсов [20, 22], в подповерхностной радиолокации [23], в многочастотных РЛС с цветной индикацией [24] и в других системах, например [25 - 30].
Как отмечалось, удовлетворить противоречивые требования, выдвигаемые к современным многофункциональным РЛС используя одночастотные сигналы в ряде случаев бывает затруднительно. В частности, для решения известных противоречий при совместном однозначном измерении дальности и скорости в когерентно-импульсных PJIC работающих в режиме высокой скважности можно применять неэквидистантную последовательность зондирующих импульсов [31, 32]. При этом применение предложенного алгоритма расширяет диапазон однозначного измерения доплеровской частоты (радиальной скорости цели) обратно пропорционально разности периодов повторения зондирующих импульсов по сравнению с алгоритмом для эквидистантой последовательности зондирующих импульсов [33] и вследствие одноканального принципа построения обладает простой технической реализацией по сравнению с многоканальными измерителями [34 - 36]. Однако, для повышения эффективности обнаружения цели в такой системе необходимо увеличивать импульсную мощность передающего устройства PJ1C, что ограничивается возможностями приборов, используемых в передатчиках.
Характер междупериодной обработки оказывает существенное влияние на алгоритм объединения частотных каналов. В [37, 38] для медленных флюктуаций и квазидетерминированного сигнала при наличии шума получены математические модели алгоритмов обработки многочастотных сигналов на основе многоканального когерентного накопления входных отсчетов. Показано, что при неизвестной скорости цели данный алгоритм обработки реализуется в виде многоканального построения в каждом частотном канале, что приводит к необходимости раздельного обнаружения в каждом из них. Кроме того, в такой многочастотной системе обработки имеется возможность однозначного измерения радиальной скорости цели на основе определения разностного доплеровского сдвига по номерам соответствующих доплеровских каналов в двух смежных частотных каналах [39]. Однако разработка математической модели алгоритма обработки многочастотных сигналов проведена без учета реальной модели отраженных сигналов. Кроме того, реализация традиционного многоканального принципа построения измерителей приводит к существенному усложнению аппаратуры.
Таким образом, в настоящее время многочастотная радиолокация используется в радиотехнических системах различного назначения. Применение многочастотных сигналов позволяет повысить качество функционирования РЛС. При этом возможности многочастотных сигналов для повышения эффективности обнаружения-измерения и решения известных противоречий при совместных однозначных измерениях дальности и скорости в многочастотных когерентно-импульсных РЛС одновременного излучения, работающих в режиме высокой скважности в полной мере не исследованы и не исчерпаны.
Целъ и задачи работы.
Целью диссертации является разработка математических моделей и методов, направленных на повышение эффективности обнаружения-измерения и решение проблемы совместного однозначного измерения дальности и радиальной скорости в многочастотных когерентно-импульсных РЛС одновременного излучения, работающих в режиме высокой скважности. Поставленная цель предполагает решение следующих задач: разработка математической модели многочастотных сигналов с учетом реальной модели спектральной плотности флюктуаций отраженных сигналов; разработка математических моделей синтеза оптимальных алгоритмов междупериодной обработки многочастотных когерентных сигналов и соответствующих им структурных схем; разработка математических моделей синтеза квазиоптимальных алгоритмов междупериодной обработки многочастотных сигналов, пригодных для технической реализации; разработка математической модели синтеза алгоритма однозначного измерения радиальной скорости; разработка математических моделей систем обработки многочастотных сигналов, совместно решающих задачу обнаружения и однозначного измерения дальности и радиальной скорости; развитие математической модели анализа оптимальных систем обработки, указывающих теоретический предел при обработке многочастотных сигналов; развитие математической модели анализа эффективности предложенных квазиоптимальных систем и их сравнение с известными системами обработки одночастотных и многочастотных сигналов; развитие математической модели анализа точности синтезированных алгоритмов однозначного измерения радиальной скорости; развитие и реализация имитационного моделирования исследуемых алгоритмов обработки многочастотных сигналов для подтверждения теоретических расчетов; исследование возможности практической реализации предложенных математических моделей алгоритмов обнаружения-измерения многочастотных сигналов на основе цифровых процессоров обработки сигнала.
Методы проведения исследований.
Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы математического моделирования; статистической теории обнаружения и оценивания сигналов, в частности, метод максимального правдоподобия; теория матриц; метод характеристических функций, в частности метод собственных значений.
Научная новизна.
Разработаны математические модели алгоритмов обработки многочастотных когерентно-импульсных сигналов, включающие следующие результаты: математическая модель синтеза алгоритма оптимальной обработки многочастотных сигналов при известной и неизвестной доплеровской скорости цели; математическая модель синтеза квазиоптимальных алгоритмов и систем обработки многочастотных сигналов, многоканальных по доплеровской частоте; математическая модель синтеза квазиоптимальных одноканальных по доплеровской частоте алгоритмов и систем обработки многочастотных сигналов, адаптивных и инвариантных к доплеровским сдвигам фаз; математическая модель синтеза алгоритмов и систем однозначного измерения радиальной скорости цели при однозначном измерении дальности;
У математическая модель анализа характеристик обнаружения оптимальных систем обработки многочастотных сигналов при известной и неизвестной доплеровской скорости цели; математическая модель анализа характеристик обнаружения квазиоптимальных систем обработки многочастотных сигналов, многоканальных по доплеровской частоте; математическая модель анализа характеристик обнаружения квазиоптимальных одноканальных по доплеровской частоте систем обработки многочастотных сигналов, адаптивных и инвариантных к доплеровским сдвигам фаз; математическая модель анализа точности измерения радиальной скорости.
Практическая значимость диссертационной работы.
Теоретические положения диссертационной работы доведены до практически полезных результатов, к числу которых относятся: структурные схемы систем совместного обнаружения-измерения на основе предложенных алгоритмов с учетом реальной модели отраженных сигналов, защищенные патентами на изобретения; выбор оптимального числа частотных каналов по критериям эффективности обнаружения и точности измерения; имитационное моделирование алгоритмов и систем обнаружения-измерения многочастотных сигналов, позволяющее анализировать широкий класс соответствующих систем обработки и подтверждающее результаты теоретического анализа; вопросы практической реализации систем обнаружения-измерения многочастотных сигналов на базе современных цифровых сигнальных процессоров.
Основные положения, выносимые на защиту.
