УДК 621.396.96
АЛГОРИТМ КВАЗИОПТИМАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА В СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОМ РАДИОЛОКАТОРЕ
А. В. Мякиньков, Д. М. Смирнова
Предложен алгоритм квазиоптимальной обработки сверхширокополосного сигнала, рассеянного многоточечной целью. Рассмотрена модель сигнала, отраженного от пространственно-распределенной цели. Приведены основные соотношения, позволяющие реализовать алгоритм накопления сигнала, отраженного от многоточечной цели. Эффективность предложенного алгоритма подтверждается результатами математического моделирования.
Ключевые слова: сверхширокополосный радиолокатор, распределенная цель, локальный центр рассеяния, накопление сигнала, квазиоптимальная обработка.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из актуальных и перспективных направлений исследований в радиолокации является разработка сверхширокополосных (СШП) радиолокационных систем (РЛС), предназначенных для обнаружения и измерения координат подвижных объектов за радиопрозрачными преградами. Такие РЛС применяются для обнаружения и контроля передвижения людей в закрытых помещениях, для поиска живых объектов на местах техногенных катастроф, а также при проведении антитеррористических мероприятий. Они обеспечивают высокую разрешающую способность по дальности (до нескольких сантиметров) и высокую точность измерения координат целей.
В то же время для решения все более сложных задач, возлагаемых на РЛС рассматриваемого типа, все большее применение в них находят методы цифровой обработки сигналов. Ввиду сложности технической реализации высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей с частотой дискретизации в несколько гигагерц и выше, для получения цифровых отсчетов сигнала в СШП-радаре может использоваться так называемый стробоскопический метод, описанный в работах [1—4].
Для измерения угловых координат целей в СШП-радарах возможно применение СШП антенных решеток [5—7]. В указанных работах описан алгоритм пространственно-временной обработки сигналов, обеспечивающий при небольшом числе элементов решетки (Ы = 4) достаточно высокое разрешение по угловой коор-
динате (около 5°) и требуемую точность измерения координат.
Наибольшее внимание в работах [5—7] уделено методам пространственной обработки, в частности, формированию характеристик направленности антенной решетки. При этом временная обработка осуществляется без учета одной из характерных особенностей СШП РЛС, которая заключается в специфическом характере СШП-сигнала, отраженного от многоточечной цели. Форма такого сигнала априорно неизвестна. В общем случае это обусловлено искажениями сигнала, подводимого к передающей антенне. Эти искажения возникают в процессе излучения, при отражении от многоточечной цели, а также в процессе возбуждения колебаний в апертуре приемной антенны. Эти явления подробно рассмотрены в работах [8, 9].
Как показывают результаты экспериментов [6], в СШП РЛС с антенной решеткой задача обнаружения и измерения координат подвижных объектов (людей) может быть решена и без учета упомянутой особенности. Однако при этом снижается эффективность обнаружения и точность измерения координат.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБНАРУЖИТЕЛЬ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОГО СИГНАЛА
В работах [8—10] и ряде других источников указывается, что задачу обнаружения рассеянного целью сигнала в СШП РЛС следует рассматривать как задачу оптимального обнаружения стохастического сигнала. При этом отмечается,
что для эффективного накопления стохастического сигнала можно использовать периодическую структуру сигнала. Оптимальным решением указанной задачи является применение так называемого "энергетического" обнаружителя. В этом случае алгоритм обработки можно представить как
т
^вых = I 0
M - 1
£ u(t + kTa)
k = 1
2
dt,
(1)
где u(t + kTn) — значение отраженного целью сигнала в момент времени t + kTn, kTn < t < kTn + T; T — интервал некогерентного накопления (равный предполагаемой длительности отраженного сигнала); Tn — период повторения импульсов; M — число периодов повторения.
Периодическая структура сигнала позволяет реализовать межпериодное когерентное накопление отраженного от цели сигнала в каждом элементе разрешения по дальности. Однако, это возможно только в том случае, если перемещение цели за период излучения РЛС Tn пренебрежимо мало в сравнении с величиной cTn = c//q, где с — скорость света, / — несущая частота излучаемого сигнала. При этом накопление сигнала по различным кольцам дальности осуществляется некогерентно.
Как указано в [1, 8—10], эффективность энергетического обнаружителя заметно ухудшается в том случае, если цель имеет разреженный характер, т. е. расстояние между отдельными локальными центрами рассеяния (блестящими точками) больше разрешающей способности по дальности. При этом отраженный от цели сигнал имеет отдельные ярко выраженные максимумы. Снижение эффективности энергетического обнаружителя (по отношению к оптимальному обнаружителю, когда форма рассеянного целью сигнала полностью известна) обусловлено тем, что в промежутках между упомянутыми локальными максимумами сигнала происходит накопление шума.
Для уменьшения влияния этого эффекта в работе [1] предлагается использовать ранговый алгоритм обнаружения. Его суть заключается в предварительном ранжировании временных отсчетов входной реализации в скользящем окне, длительность которого определяется физической длиной цели. Затем накопление отсчетов вход-
Рис. 1. Геометрическая модель распределенной цели
ной реализации, аналогичное (1), производится только в окрестности отсчетов, ранг которых превышает некоторый порог. Тем самым в значительной степени устраняется нежелательное накопление шума.
Если число локальных центров рассеяния цели неизвестно, то необходимо использовать многоканальный ранговый обнаружитель, в каждом канале которого осуществляется накопление различного числа отсчетов, превысивших порог.
Таким образом, многоканальный энергетический обнаружитель в сочетании с алгоритмом ранжирования обеспечивает близкое к оптимальному накопление сигнала, отраженного многоточечной целью. Как будет показано далее, в случае энергетического обнаружителя точность оценки дальности оказывается невысокой из-за размытого характера максимума сигнала на выходе некогерентного накопителя. Положение этого максимума определяется дальностью до блестящей точки цели, характеризующейся наибольшим значением модуля коэффициента рассеяния. На рис. 1 приведена упрощенная геометрическая модель распределенной цели, где темные точки соответствуют облучаемым (освещенным) точкам, а светлые точки находятся в области тени. При этом используется приближение геометрической оптики.
Рис. 2. Формирование ложных отметок целей
Коэффициент рассеяния каждой блестящей точки Абт может быть представлен как функция, зависящая от угла анОрМ — углового положения блестящей точки относительно нормали к линии, соединяющей две соседние с ней блестящие точки, Абт = ДанОрМ). Очевидно, что эта функция принимает максимальное значение при анОрМ = 0, и, следовательно, расстояние до точки, для которой значение анОрМ минимально, определяет текущее временное положение максимума рассеиваемого сигнала.
В то же время, в некоторых конфигурациях СШП РЛС крайне важно высокоточное измерение временной задержки отраженного сигнала. Например, в работе [5] рассматривается многопозиционная СШП РЛС, состоящая из нескольких позиций с ненаправленными антеннами. При этом координаты цели оцениваются по измерениям дальностей от различных позиций РЛС до цели. Наличие случайных ошибок измерения дальности до цели приводит к тому, что вместо линий положения (например, окружностей при использовании дальномерного метода определения координат) наблюдаются области конечной ширины, при пересечении которых образуются области неопределенности. Размеры каждой области неопределенности зависят от точности измерения дальности до цели. Эта ситуация иллюстрируется рис. 2, где кружками отмечено положение целей, а крестиком показана ложная отметка цели. Таким образом, в многоцелевой ситуации могут появиться ложные отметки целей, возникающие из-за пересечения нескольких областей неопределенности.
Для уменьшения числа ложных отметок необходимо повысить точность измерения дальности до цели. Этого можно достигнуть в том случае, если при произвольном расположении флуктуирующих блестящих точек цели дальность до цели будет оцениваться как дальность до некоторого их среднего положения, которое условно будем называть геометрическим центром распределенной цели. Положение геометрического центра цели характеризуется радиус-вектором г (см. рис. 1).
Для решения указанной проблемы предлагается квазиоптимальный алгоритм накопления сигнала, отраженного от многоточечной цели. Этот алгоритм включает предварительное оценивание отражающих свойств цели и накопление сигналов, отраженных от разных локальных центров рассеяния.
АЛГОРИТМ КВАЗИОПТИМАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ СШП-СИГНАЛА
Модель сигнала
Рассмотрим упрощенную модель пространственно-распределенной цели, состоящей из N элементарных отражателей (блестящих точек), расположенных на дальностях гп от передающей антенны. Если пренебречь расстоянием между фазовыми центрами передающей и приемной антенн, отражающую способность цели можно описать моделью дискретного линейного фильтра с импульсной характеристикой (ИХ) вида
N -1
й(г) = £ АпеЛ 5(г - гп),
(2)
п = 0
где г — дальность; гп — дальность п-й блестящей точки; N — число блестящих точек цели; Ап и Фп — амплитуда и фаза комплексного коэффициента рассеяния п-й блестящей точки; 8(*) — дельта-функция.
В общем случае Ап = Ап(ю) и фп = фп(ю) являются функциями частоты, т. е. каждая из блестящих точек цели может рассматриваться как частотно-избирательный фильтр [8] с ИХ кп(Р) = ¥-1{Ап(ю)ехр[у'фп(ю)]}, где F- {} — обратное преобразование Фурье. Тогда импульсную характеристику цели, описывающую реакцию на произвольный облучающий сигнал, можно записать в следующем виде:
ÍN - 1
¿ц(0 = йп(0 ® £ 5(I- гп)| = £ йп(* - д, (3)
V п = 0
N - 1
п = 0
Рис. 3. Зондирующий сигнал
Рис. 4. Сигнал, отраженный от многоточечной цели
где tn = 2гп/с, с — скорость света, <Э — операция свер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.