CC BY
145
УДК 004.383.3
ОЦЕНКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПЕРСПЕКТИВНЫХ НЕКОНТАКТНЫХ ДАТЧИКОВ ЦЕЛИ
А.Л. Переверзев, М.Г. Попов
Получены оценки производительности, разрядности представления данных и скорости информационных потоков, необходимых для реализации устройств цифровой обработки информационного сигнала радиолокационных неконтактных датчиков цели, сформулированы задачи, решение которых обеспечит переход на следующий за дискретным уровень проектирования: создание информационно-вычислительных систем на программируемых, полузаказных, или заказных кристаллах.
Ключевые слова : информационно-вычислительная система, неконтактный датчик цели.
Анализ истории развития современных неконтактных датчиков целей (НДЦ) показывает тенденцию вытеснения механических устройств превосходящими по техническим и экономическим характеристикам электронными аналогами[1]. Разработка таких аналогов на основе отечественной компонентной базы сопряжена с рядом технических трудностей, вызванных конструктивными особенностями и тактико-техническими характеристиками объектов применения.
Одним из способов совершенствования массогабаритных и энергетических характеристик НДЦ, а также снижения их стоимости при крупном серийном производстве является повышение степени интеграцииин-формационно-вычислительных систем. Тенденция к повышению степени интеграции специализированных систем подтверждается появлением новых типов интегральных схем с программируемой структурой, содержащих различные интерфейсы передачи данных, процессорные ядра, модули ОЗУ и ПЗУ и т.д. Однако применение таких схем в отечественных устройствах нецелесообразно, поскольку даже язык описания аппаратуры высокого уровня не обеспечивает платформонезависимость проекта [2].
Таким образом, задача разработки специализированных интегральных схем, обеспечивающих реализацию перспективных НДЦ, является актуальной. Настоящая работа посвящена оценке производительности и пропускной способности функциональных модулей информационно-вычислительной системы перспективных НДЦ.
Неконтактный датчик целиявляется информационной системой бинарного типа, формирующей исполнительные команды на основе анализа сигналов, поступающих на вход датчика по информационным каналам. Практически во всех НДЦ команда на подрыв боевой части формируется
на основе сравнения расстояния от объекта до цели с радиусом срабатывания [3]. По сути, НДЦ представляет собой бортовую систему ближней радиолокации в микроминиатюрном исполнении, которая работает в условиях высоких динамических нагрузок, при наличии естественных и искусственных помех при малых и сверхмалых временных ресурсах.
В НДЦ применяют не только радио, но и оптические способы измерения. К таким системам можно отнести датчики, построенные на полупроводниковых лазерах и инфракрасных излучателях. Однако эти системы имеют низкую помехоустойчивость в условиях интенсивных пыледымо-вых смесей, характерных для боевых условий применения [3]. Эти ограничения проявляются на физическом уровне распространения энергии в пространстве и поэтому не устраняются алгоритмическими и схемотехническими решениями. Известным методом повышения помехоустойчивости НДЦ в условиях интенсивных естественных и искусственных помех является использование радиоволн, что привело к появлению и широкому распространению практически на всех типах средств доставки радиолокационных НДЦ.
Основным устройством радиолокационного НДЦ, упрощенная структура которого показана на рис. 1, является дальномер. Цель облучается сигналом передатчика. Отраженный целью сигнал обрабатывается приемником и вместе с сигналом передатчика подается в измеритель информационного параметра сигнала. Решающее устройство анализирует сигналы с выхода измерителя и принимает решение о наличии цели на основе сравнения расстояния до цели с радиусом срабатывания.
Цель
Рис. 1. Упрощенная структура радиолокационного НДЦ
В качестве информационного параметра может быть использована фаза, частота, задержка, мощность. Рассмотрим вычислительную сложность алгоритмов измерителя на примере частотного дальномера. Передатчик излучает ЛЧМ сигнал на несущей частоте /0 с девиацией . В результате запаздывания отраженного сигнала на время в приемнике на выходе смесителя возникают биения с частотой = /1 - /2 , где /1, /2 -частоты излучаемого и отраженного сигналов. Так как передатчики и при-
емники имеют ограниченный диапазон перестройки частоты, на практике применяют периодические законы ЧМ.
Основное уравнение частотного дальномера имеет вид [3]
Срб
а-/г=Мкрб- (1)
н ¿а1 м
где с, Рм - скорость распространения радиоволн и частота модуляции соответственно; М% - масштабный коэффициент. Спектр сигнала биений содержит частотные компоненты, только кратные частоте модуляции. Дискрет по дальности А% можно найти из выражения (1), поскольку наименьшая частота биений равна частоте модуляции, то
Аа - а - сРм - с
ш1п~4 4 /а'
При увеличении дальности а в спектре периодического сигнала биений последовательно появляются частоты 2Рм, 3Рм и т.д., поэтому частота биений каждый раз изменяется на Рм, а дальность - на
Аа - атп.
Разрешающая способность частотных дальномеров характеризуется дискретными отсчетами дальности и разрешающей способностью анализатора спектра. Чтобы спектральные компоненты двух целей не попали в полосу пропускания одного канала анализатора, необходимо выполнение условия ¿Рб - - Р>1 > дРф, где <5^ф - разрешающая способность по
частоте биений. Учитывая основное уравнение частотного дальномера, получаем:
да >
ф
4 /аРм
Поскольку улучшение да за счет уменьшения полосы пропускания фильтров да ограничено дискретностью изменения дальности, то 8атш - с/(4 /а).
При разрешении по дальности нескольких целей в качестве измерителя частоты используют параллельный анализатор спектра с числом каналов, равным числу элементов разрешения:
Ыа - (тах( рб ) - т^п( Рб )) / дРф - ( атах - аш1п )/ да.
В цифровой вычислительной технике анализатор спектра основан на дискретном преобразовании Фурье (ДПФ) [4]:
N -1
X(ш) - £ х(п)[соб(2рпш/ Ы) - 7$,т(2япш/ Ы)], п - 0
где т, п - индексы отсчетов информационного сигнала в частотной Хи временнойх области, соответственно; N - количество отсчетов в преобра-
зовании. Алгоритм ДПФ характеризуется высокой вычислительной сложностью, поэтому на практике применяют алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ), количество комплексных умножений для ^точечного БПФ равно (N/2) • N [4].
Алгоритм БПФ и анализ его результатов необходимо выполнять на каждом периоде модуляции информационного сигнала. В свою очередь период модуляции Тм выбирается таким образом, чтобы обеспечить достоверное слежение за движущимся объектом. При симметричном законе модуляции для достоверного измерения дальности должно выполняться неравенство
Т • V
Тм- <ЗБ, 2
где V - скорость сближения, следовательно,
Г
м" 2 ЗБ
Современные НДЦ имеют радиус обзора Бтах = 10 м, скорость сближения не превышает 2000 м/с. При разрешении по дальности ЗБ = 0,1 м получаем частоту модуляции Гм > 10 кГц и количество дискретов по дальности Бтах /ЗБт^п = 100, обеспечиваемых методом частотного дальномера.
Таким образом, время наблюдения информационного сигнала и максимальное время выполнения БПФ должно быть не более100 мкс. Поскольку широкое распространение получили алгоритмы БПФ с основанием равным степени 2, минимально возможное количество точек частотной области равно 128. Учитывая симметрию преобразования Фурье, получаем минимальную длину преобразования 256 точек, т.е. необходимо выполнять 1024 комплексных умножения на каждом периоде обработки информационного сигнала: 1024/200 10-6 = 5.12 106 комплексных умножений в секунду.
С учетом других операций, алгоритмов обработки частотного представления информационного сигнала, а также более высоких скоростей сближения и показателей точности измерения расстояния, общая производительность модуля частотного дальномера может быть оценена в 108 операций над комплексными числами в секунду.
На сложность технической реализации системы существенное влияние оказывает как разрядность обрабатываемых данных, так скорость поступления отсчетов информационного сигнала.
Для рабочих расстояний мощность отраженного от объекта зондирующего сигнала может изменяться по амплитуде на несколько порядков. Данную проблему можно решить применением автоматической регулировки усиления, однако, для поражения низколетящих целей с малой эф-
150
фективной площадью рассеивания (ЭПР), требуется выполнить обнаружение на фоне подстилающей поверхности, ЭПР которой может в несколько раз превышать ЭПР цели, и в этом случае применение АРУ будет не корректно. Данная особенность обуславливает требование к динамическому диапазону сигнала при обнаружении и селекции целей на уровне 90.. .100 дБ, т.е. 16-18 двоичных разрядов. С учетом коэффициента повышения отношения/сигнал шум за счет фильтрации и БПФ, разрядность входных отсчетов информационного сигнала должна бать не менее 8-12.
При радиусе обзора НДЦ Dmax = 10 м, разрешении по дальности 3D = 0.1 м и частоте модуляции = 10 кГц максимальная частота колебаний информационного сигнала составляет 1 МГц, т.е. частота его дискретизации должна быть не менее 2 МГц. На практике, частота дискретизации может быть в 2-5 раз выше.
Оценки необходимых производительности, разрядности представления данных и скорости информационных потоков обобщены в табл. 1. Аппаратные затраты на реализацию устройства цифровой обработки информационного сигнала c параметрами, рассмотренными в данной статье, на основе ПЛИС фирмы Xilinx серии Spartan 6 приведены в табл. 2. Количество конфигурируемых логических блоков можно интерпретировать как 106 логических вентилей. С учетом аппаратной избыточности ПЛИС, достигающей 3-5 раз по сравнению с количеством рабочей логики, можно сделать вывод о том, что такой проект реализуем на основе современных отечественных БМК [5]. Ограничением к применению отечественных БМК в данном случае являются габаритные размеры корпусов.
Результаты приведенного выше анализа свидетельствуют о сущест-веннойсложности технической реализацииинтегрированных информационно-вычислительных систем радиолокационных НДЦ на основе отечественной компонентной базы в габаритах перспективных объектов доставки (калибр от 20 мм).
Таким образом, одной из актуальных научно-технических проблем создания техники специального назначения является разработка комплекта малогабаритных интегральных схем, обеспечивающих реализацию электронных неконтактных датчиков цели и высотомеров. Решение указанной проблемы должно включать в себя как разработку частных алгоритмов функционирования информационно-вычислительных систем радиолокационных НДЦ, обеспечивающих сокращение аппаратных и вычислительных затрат при условии эффективного решения поставленных задач, так и разработку структур для реализации алгоритмов функционирования информационно-вычислительных систем радиолокационных НДЦ, обеспечивающих переход на следующий за дискретным уровень проектирования: создание интегрированных информационно-вычислительных систем на программируемых, полузаказных, или заказных кристаллах.
151
Таблица 1
Особенности реализации основных алгоритмов информационно-вычислительной системы НДЦ
Алгоритм Производительность Разрядность, бит Скорость входного информационного потока, бит/с
Фильтрация информационного сигнала НДЦ 106.. ,108 комплексных умножений/с 8.12 108
Селекция и обнаружение цели НДЦ 106 арифметических и логических операций/с 16.18 109
Таблица 2
Аппаратные затраты на реализацию устройства цифровой обработки информационного сигнала на основе ПЛИС
Количество точек в преобразовании 256
КЛБ, шт 287
Умножителей, шт 11
Блоков памяти, шт 6
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (грант Президента РФ для поддержки молодых Российских ученых - кандидатов наук МД-1670.2014.10).
Список литературы
1. История создания и тенденции развития современных боеприпасов и взрывателей. Акиншин Р. Н. [и др.]. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013. 204 с.
2. Переверзев А. Л. Концептуальная модель и методика проектирования интегрированных информационно-вычислительных систем на основе масштабируемой архитектуры // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. М.: ФГУП «ВИМИ», 2013. № 1. С.33-38.
3. Вейцель В. А. Радиосистемы управления. М.: Дрофа, 2005. 416 с.
4. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов: 2-е изд. / пер. с англ. М.: ООО «Бином-Пресс», 2006. 656 с.
5. Импортозамещающая технология ПЛИС-БМК / В. Евстигнеев [и др.] // Компоненты и технологии. 2004. №7. С. 80-86.
Переверзев Алексей Леонидович , д-р техн. наук, доц., [email protected], Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,
Попов Михаил Геннадьевич, асп., greendotka@gmail. com, Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
PERFORMANCE ESTIMA TION OF INFORMA TION PROCESSING SYSTEM FOR PERSPECTIVE NONCONTA CT TARGET SENSORS
A. L. Pereverzev, M. G. Popov
Estimated performance, bit representation and information flowsspeeds necessary for implementation of devices for digital processing of the information signal in noncontact sensors. Formulated tasks which provide transition to the next level design: creation of integrated information systems on programmable or application specific ICs.
Key words: information processing system, noncontact target sensor.
Pereverzev Aleksey Leonidovich, doctor of technical sciences, docent, [email protected]. ru, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University "MIET ",
Popov Michail Gennadevich, postgraduate, greendotka @gmail. com, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University "MIET "
УДК 004.58:004.891:004.94
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ ПЕРСОНИФИЦИРОВАННОЙ РЕКОМЕНДАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
М.Н. Пущин, А.В. Шестухин, К.Т. Григорьева
Приведена имитационная модель позволяющая оценить эффективность внедрения персонифицированной рекомендательной системы для информационно -управляющих систем. Представлены результаты имитационного эксперимента на предложенной системно-динамической модели, которые подтверждают ее работоспособность и позволяют дать оценку эффективности использования персонифицированной рекомендательной системы для информационно-управляющих систем.
Ключевые слова : информационно-управляющая система, рекомендательная система.
Последнее время сложные специализированные информационно-управляющие системы агрегируют в себе огромное количество информации, ориентированной на повышение эффективности управления ими с использованием современных методов обработки информации.
Для совершенствования управления и принятия решений, с целью повышения эффективности функционирования информационно-
153
