CC BY
54
Доклады БГУИР
2015 № 8 (94)
УДК 621.396.96
ИСКАЖЕНИЯ ДИСКРЕТНЫХ ЧАСТОТНО-МАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ С ЛИНЕЙНЫМИ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫМИ ДИСКРЕТАМИ В АНТЕННОЙ РЕШЕТКЕ
Е.Н. БУЙЛОВ, С.А. ГОРШКОВ, В.А. КОНДРАТЁНОК, М.М. КАСПЕРОВИЧ
Военная академия Республики Беларусь Минск-57, 220057, Беларусь
Поступила в редакцию 10 апреля 2015
Рассмотрены особенности влияния искажений вызванных вращением объекта, изменением его размеров и неидентичностью приемо-передающих трактов антенной решетки на результаты обработки дискретных частотно-манипулированных сигналов в широкополосных радиолокационных системах пространственно-временной обработки. Предложены варианты компенсации данных видов искажений в линейных антенных решетках.
Ключевые слова: дискретные частотно-манипулированные сигналы, активная антенная решетка, линейно-частотно-модулированные дискреты.
Введение
Среди большого многообразия широкополосных сигналов особый интерес вызывают дискретные частотно-манипулированные сигналы (ДЧМС) со ступенчатым законом изменения частоты [1-9]. Их использование обеспечивает сверхразрешение по радиальной дальности Ат [7, 10] в радиолокационных станциях (РЛС) с синтезом апертуры, РЛС противоракетной обороны и других. Цифровые формирователи многочастотных сигналов оказываются значительно проще формирователей линейных частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов.
Основные параметры одиночного ДЧМС с разомкнутыми дискретами представлены на рис. 1, а, где: Тд и А/д - длительность и ширина спектра одиночного дискрета,
соответственно; / - шаг изменения несущей частоты; N - число дискретов; Тпд - период
повторения дискретов; То - длительность ДЧМС.
Применительно к широкополосным системам (ШПС) пространственно-временной обработки существует ряд факторов, влияющих на результат обработки ДЧМС. В работах С.П. Лещенко показано, что вращение цели относительно линии визирования или элементов ее конструкции приводит к искажениям огибающей радиолокационного портрета (РЛП). Размеры наблюдаемых целей накладывают ограничения на величину частотного скачка / между соседними импульсами. Для случая, когда радиальный размер объекта превышает интервал однозначности по дальности тодн, наблюдается наложение РЛП. Кроме того, неточности в
изготовлении элементов приемо-передающего тракта вызывают искажения частотных характеристик (ЧХ) пространственных каналов антенной решетки (АР) [11].
Возможности компенсации возникающих искажений ДЧМС существенно расширяются при использовании в них ЛЧМ дискретов. Это позволяет независимо менять их длительность и ширину спектра. В связи с этим определенный интерес представляет анализ способов повышения качества пространственно-временной обработки сверхширокополосных сигналов, основанных на компенсации искажений ДЧМС с ЛЧМ дискретами, вызванных вращением объектов, искажением РЛП различных размеров, с учетом неидентичностей ЧХ приемо-передающих трактов АР.
Искажения, обусловленные вращением наблюдаемого объекта и элементов его конструкции
Вращение объекта относительно линии визирования либо наличие на нем отдельных вращающихся элементов (например, лопастей винтов вертолетов или турбовинтовых самолетов, лопаток турбин или компрессоров двигательных установок) приводит к возникновению временных флюктуаций отраженного сигнала. В результате таких вращений возникает разность радиальных скоростей блестящих точек (БТ) 5^бт . На рис. 1, б представлена двухточечная модель объекта длиной Ьц, вращающегося с угловой скоростью Оц вокруг точки О, где УБг радиальная скорость БТ. Возникающая разность скоростей между БТ определяется выражением = ЬцОц.
ч
<
V
БТ2 4
* Ьц
г 1 1 1
БТ2
/О
БТ1
8%г = ?- VI
БТ2 - ¥БТ1
I
Направление на РЛС
б
V
БТ1
Рис. 1. Частотно-временная диаграмма Габора одиночного ДЧМС с ЛЧМ дискретами (а); вращающаяся двухточечная модель объекта (б)
Рассматриваемые вращения вызывают искажение огибающей РЛП вдоль оси дальности в пределах, определяемых двумя составляющими. Первая, за счет нескомпенсированной
разности скоростей БТ
Т
Т
БТ
на частоте /0 : 5г1 = /о-Л^ 5 ^БТ = С
5д Х 5/д
5Гбт , где X - длина
волны, соответствующая частоте /о; с - скорость света в вакууме.
Вторая составляющая возникает за счет разности нескомпенсированных набегов фазы на различных частотах ДЧМС 5г2 = Т^^Бг = ^Твд5^Бг .
Тогда результирующая разрешающая способность по дальности А~ запишется в виде:
А~ = Аг + 5г + 5г2 =
Т
■ + -
пд
5^бт + ^ТПД5ГБТ .
(1)
2 А/0 X 5/д
Зададимся 25 %-м ухудшением разрешающей способности по дальности (вызванным влиянием данных факторов). После некоторых преобразований получим:
'2 2/ _______ ..А/0-1
/о
5^бт тПд (- + -
д-) < 1 или 5FÍ]T0 (1 + А0-) < 1
4
4
(2)
25 V
где 5^д =
БТ
- разброс доплеровского спектра частот на длине волны X .
Набег разности фаз 5 фд, вызванный вращением БТ в течение длительности ДЧМС Т), определяется выражением 5фд = 2л5Рд?0. Тогда условие (2) запишется в виде: п 1 ^ п
2 ' 1+ А/0//0 ^ 2 .
Анализ данного выражения показывает, что вращение цели вызывает минимальное
5ф, <
искажение огибающей Д РЛП в случае, когда 5фд < ^ .
Предположим, что потенциальное разрешение по дальности Аг и скачок частоты 5/д
6
5
5
4
д
ш
3
2
д
1
а
С
с
Тпд/об^т (1 + А/°) <А 8/д .
/о 4
определены с учетом максимальных и минимальных размеров объектов. Тогда из (2) получим:
(3)
Из выражения следует, что выполнение условия (2) при фиксированном скачке частоты 8/д полностью определяется: разбросом скоростей вращения БТ наблюдаемой цели б^Бг, периодом повторения дискретов в ДЧМС Тпд и центральной частотой сигнала /о .
Дополнительно учитывая неравномерное распределение БТ на объекте через эмпирический коэффициент формы Кц « (0,5...0,7), а также полагая, что А/0 //о «1, придем
к необходимости выполнения следующего условия:
Ыо < А/д. (4)
Рассмотрим несколько примеров использования полученного условия (4). Пример 1. Распознавание прецессирующего вокруг центра масс стабилизированного баллистического объекта размером от 0,6 до 5 м. На рис. 2 представлен пример трехточечного прецессирующего объекта с параметрами: максимальный угол прецессии упр = 1о град и ее
скорость Одр = 3 об/с; dпр - диаметр прецессии; Фрлс - курсовой угол. В начальный момент
времени БТ не разрешаются по дальности.
Рис. 2. Трехточечный прецессирующий объект
При распознавании целей по их дальностным РЛП минимальное значение разрешающей способности по дальности определяется условием Ьц > (4...5)Ат [6]. Тогда,
значение Аг = о,15 м достигается при ширине спектра А/о = 1 ГГц.
Скачок по частоте определяется в соответствии с выражением 8/д << с/2Ьцтх и для рассматриваемого примера может быть равен 8/д = 10 МГц. Для объекта, показанного на рис. 2, разность скоростей БТ1 и БТ2 равна 8^Бт = ЬцОпр8т(упр)8т(фц)со8(Опр? + Фо). Максимальное значение эта разность достигает при Фрлс = 9о°, со8(Опр? + Фо) = 1 и составляет 8^Бт = 16,4м/с. Тогда условие (4) примет вид: Тпд/о <45732. Для /о = 1оГГц допустимый период повторения частотных дискретов Тд < 4,6 мкс . На рис. 3 показаны
мгновенные (рис. 3, а-в) и статистически усредненный по 100 РЛП (рис. 3, г) сжатые ДЧМС от наблюдаемой сбоку трехточечной вращающейся цели с заданными по условию примера параметрами (рис. 2).
0
2 А
Гд и = 4 мкс |
—►
1 2 3 4 5 6
7 8
а
9 10 11 12 13 14
- 10 мкс
7п
01 4 2 3 4 5 67 - 8 9 5 0 11 12 13 14 м
1 го = 1 00 мкс
л к. п1 1
1 2 3
56
7 8 в
9 10 11 12 13 14 ". :■:
Лч1и[{-
= 100 мкс
1 2 3 4 5 6
7 8
г
9 10 11 12 13 14 :.:
Рис. 3. Сжатый ДЧМС: мгновенный с параметрами: Тпд — 4 мкс (а), Тпд — 10 мкс (б), Тпд — 100 мкс (в); статистически усредненный по 100 РЛП при Тпд —100 мкс (г) Анализ рис. 3, а показывает, что при ТПд — 4 мкс условие (4) выполняется. Вид мгновенного РЛП будет определяться моментом времени зондирования. При увеличении периода повторения дискрет до Тпд —10 мкс наблюдается расширение огибающей мгновенного сжатого ДЧМС (условие (4) не выполняется, рис. 3, б). Увеличение периода повторения до Тпд —100 мкс приводит к искажению огибающей РЛП по дальности за счет имеющейся время-
частотной зависимости для ЛЧМ и ступенчатых ДЧМС (условие (4) не выполняется, рис. 3, в). При формировании мгновенных РЛП БТ будут разрешаться, а их положение в окне дальности для наблюдателя будет случайным в пределах участка, определяемого выражением (1). Это хорошо демонстрирует рис. 3, г, где сжатый ДЧМС получен путем статистического усреднения 100 РЛП. Таким образом, выражение (1) указывает диапазон, в пределах которого наблюдается искажение огибающей сжатого ДЧМС за счет случайного блуждания БТ, вызванного вращением цели и элементов ее конструкции.
Пример 2. Распознавание воздушных объектов с размерами Ьц — (4...16) м. Распознавание целей рассматриваемых размеров возможно при Аг — 1 м, что соответствует ширине спектра закона модуляции А/0 —150МГц. Максимальное значение скачка частоты соответствует 5/д — 2 МГц. Тогда условие пространственно-временной узкополосности сигнала (А/0 //0<0,1...0,15) будет выполняться для несущих частот, превышающих (1...1,5) ГГц.
Для различных наблюдаемых объектов и условий их движения в таблице приведены примерные значения максимального разброса радиальных скоростей 5^бх .
Разброс радиальных скоростей для различных объектов и условий
0
4
0
№п/п Объект и условия наблюдения 5Гбт , м/с Условие Ат5/д 4Кц5Гбт Удовлетворяющее условию значения
Тпд,мкс /0, ГГцД, см
1 Тяжелый транспортный самолет при полете в турбулентной атмосфере 0,2 5 -106 от 140 до 5000 36 / 0,83 1 / 30
2 Истребитель, маневрирующий с перегрузкой 10 ед. 10 105 от 2,8 до 100 36 / 0,83 1 / 30
3 Тяжелый самолет, маневрирующий по крену с угловой скоростью 50 град/с 25 4 -104 от 2 до 40 20 / 1,5 1 / 30
4 Истребитель, делающий маневр «бочка» с угловой скоростью 1 об/с 100 104 от 2 до 10 5 / 6 1 / 30
5 Лопатки компрессора, турбины, винта самолета или вертолета 600 1,7103 не вып. не вып.
Анализ результатов табл. 1 показывает, что верхняя граница несущей частоты - 36 ГГц, а период повторения снизу 2 мкс. Компенсация искажений ДЧМС в ШПС пространственно -временной обработки, вызванных вращением объекта и элементов его конструкции, возможна
при разбросе скоростей 5Гбт ^ 100 м/с (объекты № 1-4). Для случая 5Гбт > 100 м/с компенсацию данных искажений осуществить невозможно ввиду высокой скорости вращения (объект № 5).
Искажения, обусловленные влиянием размера наблюдаемого объекта на величину скачка частоты
Вариация размеров наблюдаемых объектов Ьц тах приводит к необходимости ограничения значений скачка частоты 5/д между радиоимпульсами ДЧМС в ШПС пространственно-временной обработки. При этом интервал однозначности по дальности года
с
при формировании дальностных РЛП определяется выражением
' = -'одн
25/
что
д
характеризует их повторяемость [2]. В случае превышения интервала годн РЛП из соседних интервалов будут перекрываться, что приведет к их искажениям и невозможности решения задачи распознавания. Поэтому возникает необходимость управления величиной 5/д .
На рис. 4, а приведен сжатый сигнал цели, состоящей из трех БТ для случая, когда
¿ц
тах < 'одн
. При этом Ьц тах = 16 м, годн = 22 м. Из рисунка следует, что РЛП соседних
интервалов однозначности по дальности не перекрываются. На рис. 4, б показан сжатый сигнал
где 'одн = 15 м. В этом случае БТ3 с правой
> '
рассматриваемой цели при условии Ьц т стороны портрета переместилась в левую часть РЛП, исказив истинную форму сигнала.
одн'
БТ2
БТ1
БТ3
БТ2
БТ1
-
К' 3
-
гПГ ..гП
О 15 3 4.5 6 7.5 9 10.5 П Ш 15 16.5 13 19 5 21 22.5 г,м О 1 ' 3 4 5
6 1 б
9 10 11 12 13 14 15 г,м
\ тах < 'одн (а), ¿ц тах > 'одн
(б)
Рис. 4. Сжатый сигнал цели, состоящей из трех БТ для случаев: Ьц т
Для аэродинамических объектов, например, с Ьц тах < 100 м , величина скачка частоты
должна составлять 5/д = (1...1,5)МГц. Для баллистических объектов, ракет или беспилотных
летательных аппаратов, размеры которых не превышают единиц метров, максимальный скачок частоты соответствует 5/д = 10 МГц ('одн = 15 м).
Наличие априорной информации о типе или классе сопровождаемого объекта, а также решение системы радиолокационного распознавания при узкополосном зондировании позволяют управлять величиной скачка частоты. Например, для деления целей на два класса (баллистические и аэродинамические) достаточно лишь траекторной информации. Кроме того, от геометрических размеров и класса наблюдаемого объекта зависит ширина спектра закона модуляции широкополосного сигнала А/0. При разрешающей способности по дальности порядка Аг = (0,15...0,3) м (А/0 = (1000...500)МГц) возможно распознавать баллистические малоразмерные объекты. Для распознавания классов воздушных объектов больших, средних и малых размеров, достаточно Аг = (1...1,5) м (А/0 = (300...150) МГц).
2
2
а
Искажения, обусловленные неидентичностью частотных характеристик приемопередающих трактов антенной решетки
При изготовлении элементов приемно-передающего тракта имеют место неидентичности ЧХ различных пространственных каналов АР, которые фиксируются или достаточно медленно изменяются при периодическом их контроле. Данные неидентичности
можно разделить на две группы. В первую группу входят неидентичности ЧХ одного приемно-передающего модуля, выявляющиеся при поимпульсной перестройке частоты во всем заданном диапазоне. Во вторую группу входят различия ЧХ модулей АР.
На рис. 5, а приведен сжатый сигнал цели, состоящей из трех БТ при наличии неидентичностей ЧХ приемо-передающего тракта (РЛП при отсутствии неидентичностей ЧХ показан на рис. 4, а). Параметры моделирования сигнала представлены в предыдущем разделе. Неидентичности ЧХ искажают форму РЛП, что приводит к ошибкам распознавания.
БТ2 ^Т БТ2
"_
БТ3
1: из
О 1.5 3 4.5 6 7.5 9 103 12 13 5 15 16.5 13 19.5 21 22.5
г,м
а б
Рис. 5. Сжатый сигнал цели, состоящей из трех БТ: при наличии неидентичностей ЧХ (а);
после адаптивной цифровой фильтрации (б) Наиболее современным способом компенсации данных неидентичностей является использование в тракте обработки заранее настроенных или адаптивных трансверсальных фильтров [11, 12]. РЛП рассматриваемой цели после адаптивной цифровой фильтрации представлен на рис. 5, б. Весовые коэффициенты таких фильтров устанавливаются при заводской настройке либо адаптируются при периодическом вводе в приемный тракт «пилот-сигнала». Учет различных участков ЧХ широкополосного приемного тракта может вестись путем выборки из памяти группы весовых коэффициентов, соответствующих частотному диапазону каждого излучаемого импульса. Оптимизация числа используемых отводов фильтров может проводиться по критерию искажений ширины и формы сжатого сигнала.
Заключение
Проведенный анализ особенностей влияния искажающих факторов ДЧМС с ЛЧМ дискретами, вызываемых вращением наблюдаемого объекта и элементов его конструкции, вариацией размера цели на величину скачка частоты и неидентичностью ЧХ приемопередающего тракта АР показывает, что требуется введение дополнительной компенсации.
Компенсация искажений ДЧМС в ШПС пространственно-временной обработки вызванных вращением объекта и элементов его конструкции, возможна за счет вариации периода повторения дискрет и несущей частоты. Однако при разности скоростей вращения свыше нескольких сотен м/с существенно ограничивается диапазон длин волн в сторону более длинных, или компенсацию данных искажений выполнить невозможно. Одним из способов борьбы с рассматриваемыми искажениями является переход от лестничного к псевдохаотическому закону манипуляции частоты [13].
Компенсацию искажений ДЧМС, вызванных вариацией размера цели, можно провести по результатам принятия решения системой радиолокационного распознавания при узкополосном зондировании. Например, для аэродинамических объектов (Ьцтах < 100 м)
величина скачка частоты должна составлять 5/д = (1...1,5) МГц, а для баллистических объектов
или ракет (Ьц тах единицы метров) - 5/д = 10 МГц.
Компенсация неидентичностей ЧХ приемо-передающих трактов АР осуществляется путем использования адаптивных цифровых корректирующих фильтров. При этом один из модулей АР может являться опорным, а все остальные подстраиваемыми. На этапе компенсации блок адаптации цифрового корректирующего фильтра подстраиваемых модулей АР итеративно подбирает весовые коэффициенты, минимизируя сигнал ошибки [11].
DISTORTIONS OF THE DISCRETE FREQUENCY-KEYED SIGNALS WITH THE LINEAR FREQUENCY-MODULATED IMPULSES IN THE ANTENNA ARRAY
E.N. BUILOU, S.A. GORSHKOV, V.A. KONDRATYONOK, MM. KASPEROVICH
Abstract
Singularities of influence of distortions caused by object rotation, change of its sizes and nonlinearity of transceiver paths of the antenna array on results of handling of the discrete is frequency-keyed signals in broad-band radar-tracking systems of spatio-temporal handling are considered. Variants of compensating of the given types of distortions in the linear antenna arrays are offered.
Список литературы
1. Wehner D.R. High-resolution Radar. Norwood, 1994.
2. Ultra-Wideband Radar Technology / Edited by Taylor J.D. New York, 2001.
3. Ширман Я.Д. // Труды АРТА. № 33. Харьков, 1957.
4. Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов. М., 1974.
5. Кук Ч., БернфельдМ. Радиолокационные сигналы. М., 1971.
6. Ширман Я.Д, Алмазов В.Б., Голиков В.Н. и др. // Радиотех. и электроника. № 1. М., 1991.
7. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник. / Под ред. Я.Д. Ширмана М., 2007.
8. Levanon N., Mozeson E. Radar Signals. New Jersey, 2004.
9. Костас Д. // ТИИЭР. № 6. М., 1984.
10. Пекин В.Я. Широкополосные дискретно-кодированные сигналы в радиотехнике и радиолокации. М., 2005.
11. Горшков С.А., Буйлов Е.Н. // Вестн. Воен. акад. Респ. Беларусь. 2012. № 3 (36). С. 78-84.
12. Перов А.И., Харисов В.Н. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. М., 2010.
13. Буйлов Е.Н, Горшков С.А., Седышев С.Ю. и др. // Докл. БГУИР. 2014. № 5 (83). С. 69-76.
