CC BY
36
УДК 621.396.96
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ УГЛОВОГО РАЗРЕШЕНИЯ ТИПОВОГО ОБЗОРНОГО РАДИОЛОКАТОРА МОНОИМПУЛЬСНОГО ТИПА В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ МАСКИРУЮЩЕЙ ШУМОВОЙ ПОМЕХИ
Ах1
Лаврентьев Александр Михайлович
начальник кафедрырадиотехнических систем Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского (филиал г. Ярославль), кандидат технических наук, доцент
Цубанов Евгений Ефимович
старший преподаватель кафедры радиотехнических систем ВКА имени А.Ф. Можайского (филиал г. Ярославль)
Допира Роман Викторович
заведующий отделением ЗАО "НИИ"Центрпрограммсистем", доктор технических наук, профессор
Попов Павел Георгиевич
профессор кафедры математики и вычислительной техники Тверской государственной сельскохозяйственной академии, доктор технических наук, профессор
В статье рассматриваются алгоритм обработки сигналов и результаты его исследования, выпол-ненного методом статистического имитационного моделирования на ЭВМ. Для характерных
случаев показаны графики пеленгаци-онного рельефа, рассмотрен их анализ, приведены количественные оценки статистических показателей качества работы алгоритма, отмечены особенности
практической реализации.
Ключевые слова:
• алгоритм,
• радиолокационное вооружение,
• сетевой проект,
• сигнал
LavrentievA lexanderMikhailovich, head of Department of radio systems Mozhaisky Military Space Academy (Yaroslavl), candidate of technical sciences, docent
Zubanov Evgeny Efimovich, senior lecturer in electronic systems of Mozhaisky Military Space Academy (Yaroslavl)
Dopira Roman Viktorovich, head of the branch of JSC "Research Institute" Centerprogrammsystem", doctor of technical sciences, professor
Popov Pavel Georgievich, professor Department of mathematics and computer engineering Tver state agricultural Academy, doctor of technical sciences, professor
A method of improving angular resolutiona typical surveillance radar monopulse type in conditions masking effects of noise interference
In the article the algorithm of signal processing and the results of the study, performed hardware by the method of statistical simulation on the computer. For typical cases, the graphs direction-finding relief, discussed their analysis provided a quantitative assessment of the statistical performance of the algorithm peculiarities of implementation.
Keywords:
• algorithm
• radar weapons
• network project
• signal
Важным направлением совершенствования радиолокационного вооружения, использующего двухканальный прием сигналов, является повышение угловой разрешающей способности за счет более полного использования полезной информации, содержащейся в принимаемых колебаниях. Это тем более актуально, когда требуемый эффект может быть достигнут путем введения в существующий образец вооружения дополнительных устройств, что не требует значительных материальных затрат.
Решение, исследуемое в данной работе, отличает и то обстоятельство, что среди способов обработки сигналов (известных по публикациям) аналогов не установлено. Вместе с тем, как показывают результаты, с помощью исследуемого алгоритма1 имеется реальная возможность в режиме обзора по угловой координате заметно повысить информативность моноимпульсного пеленгатора в условиях воздействия шумовой помехи.
В основе представляемых результатов лежит эвристический метод синтеза. Учитывая это обстоятельство, цель исследования сформулирована следующим образом: во-первых, проверить предположение о возможности повышения углового разрешения амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы при условии воздействия непрерывной шумовой помехи; во-вторых, оценить возможные значения показателей качества разрешения-обнаружения импульсного сигнала на фоне помехи. Данное исследование было проведено для условий, которые состоят в следующем.
Двухканальная амплитудная
суммарно-разностная моноимпульсная система в заданном секторе плоскости пеленгации осуществляет программный обзор пространства. Полается, что в контролируемом
секторе находится группа из двух независимых источников излучения: источника импульсного эхо-сигнала (модель одиночного прямоугольного радиоимпульса без внутриимпульсной модуляции со случайными амплитудой и начальной фазой) и источника мешающего сигнала - постановщика маскирующей шумовой помехи (модель непрерывного белого гауссова шума). Источники излучения полагаются точечными. Явление возможного взаимногопереизлучениянеучитывается. Относительное угловое положение источников характеризуется угловой базой Д0 = |0с - 0п|, величина которой не превышает ширину луча антенны 0о,5Р.
Прием сигнала осуществляется на фоне шумовой помехи и внутреннего шума каналов с помощью типового приемного устройства, описанного в известной монографии2 (см. рис. 4.7). Предполагается, что дополнительное специализированное вычислительное устройство (СВУ), реализующее исследуемый алгоритм, подключено непосредственно к выходам УПЧ суммарного и разностного каналов. В его составепоследовательносоединены:АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ПОС - процессор обработки сигналов, УПР - устройство принятия решения об обнаружении сигнала.
Предполагается, что пеленгатор использует антенную решетку с электронным перемещением луча в
плоскости пеленгации. Для удобства и обеспечения наглядности принято, что ширина диаграммы направленности парциального канала антенны 0о,5Р по уровню половинной мощности равна 20°. В процессе поиска луч скачкообразно с шагом 0,5° перемещается в секторе ±30°. На интервале времени Тн наблюдения угловые положения источников (0с,0п) в луче радиолокатора, задаваемые относительно биссектрисы сектора обзора, полагаются неизменными. При каждом фиксированном положении луча пеленгатор излучает последовательность из п одиночных радиоимпульсов с относительно низкой частотой повторения Fп < 1/ Тн ). При приеме в каналах приемника с помощью квазиоптимального (в частности, гауссовского) фильтра осуществляется согласованная фильтрация сигнала.
Полагается также, что помеха и собственные шумы каналов на выходе УПЧ являются узкополосными нормальными случайными процессами с нулевым средним. На интервале времени наблюдения они удовлетворяют условиям стационарности и эргодичности. Параметры, характеризующие интенсивность помехи qп = и полезного сигнала
qc = Ес/Ыш, соответствуют условию, когда источники излучения находятся на равносигнальном направлении (РСН) антенны. Здесь Е N - энергия сигнала и спектральная плотность помехи и внутреннего шума (оценивались на выходе УПЧ суммарного канала).
Наряду с традиционной обработкой, осуществляемой штатной частью аппаратуры пеленгатора (согласно описанию в работе2), ПОС в контролируемой ячейке дальности текущего углового направ -ления формирует оценку параметра а согласно выражениям:
& = .* я)/(& .* Я)
1 нч
а = 7т • 7* (1),
где [Н-А] - условный символ, означающий реализацию фильтрации комплексного процесса А путем вычисления дискретной свертки вектор-столбцов Н и А; Н- импульсная характеристика фильтра нижних частот^ - вектор-столбец
дискретных комплексных значений амплитуды процесса в суммарном (разностном) канале; (А.* В) - условный символ, означающий операцию попарного перемножения одноименных элементов вектор-столбцов А и В; (А./В) - условный символ, означающий операцию формирования вектор-столбца, элементы которого определены как частное от деления одноименных элементов вектор-столбцов А и В . Окончательная оценка а формируется по результатам обработки одной реализации принятого колебания (при п = 1) или путем нахождения среднего этих оценок для совокупности независимых реализаций, принятых с текущего направления (при п > 1).
В процессе обзора по углу алгоритм формирует ) оценку зависимости параметра 'а 9 от текущего углового
направления 0, называемую в литературе пеленгационным рельефом.
На Рисунке 3 приведены графики пеленгационного рельефа,полученного при условии, когда в секторе обзора находится только один источник излучения. На рис. 4 кроме них дополнительно показаны нормированные графики огибающих сигналов каналов суммы и разности, одновременно формируемые моделью соответственно на выходах элементов АД и ФД штатной аппаратуры приемника (см. Рисунок 2).
Графики ' 9 для случая, когда в секторе обзора одновременно находятся оба источника (сигнала и помехи), представлены на Рисунке 5. На Рисунке 6 для п = 102, Д0 = О,20о 5Р и двух ракурсов в координатах "угол-дальность" показан общий вид формируемого алгоритмом рельефа. Приведенные на Рисунке 5 графические результаты позволяют визуально достаточно просто и, вместе с тем, точно оценить пеленги источников помехи и эхо-сигнала. Однако следует иметь в виду, что они соответствуют условию, когда сигнал и помеха существенно превышают внутренний шум и их интенсивности соизмеримы
Суммарный канал
См
Вопноводный мост
|-1 мое
Согласованный фильтр
УПЧ АД
Г
См
Согласованный фильтр
УПЧ
Разностный канал
Блок формирования А2 и ¡2
ФД
1
Блок формирования А1
А1
А2, ¡2
Схема деления
АЦП
ПОС
УПР
Специализированное вычислительное устройство _ _
Рис. 2
Ф)
г
ф
а/ашах
■ 0.5
0 3
2 "
К
§ 0.6
у
я
5 05
8 из
6 2 0.2 й.
с
5 0.1
■ Чп = 50дБ; Чс = 0; еп=-3°; п = 1 -
:
| :
: !
:
:
1
а/атах 1а
5 0.9 р
X
5 03
I
и 0.7 и К £ 0.6
53
£ 0.5
| 0.4
л
§ 0-3
Си
I 0.3
о
о
К 0.1
-20 -10 0 10 Угол.градусы
й
Чп = 0; Чс = 50дБ; ес = 3°; 4-- п = 1
—/ у.
■20
.10 0 10 Угол, градус и
30
Рис. 3
а/ат
! г\ Л' & Чп = 50дБ; Чс = 0; ...
/ > \ £ '*•
1 ............./... : N ; 1 9п = -3°; п=103
} / ........Л-... £...... • : \ ..::.........V.
Г 1 V :: л ; ?1 :__________
/7 : г гшш ..)..........• ....... ...
: / : * ; 1 V ' ■ • \ V
в.........!.....лК.....-
..........].........\\
/ }
■ . : ■■ е Угол: градусы
р'
Е 08 1
«0.7
г
I 06
я
н 05
0 03 а
1 02
8В 0.1
тп ..........>-
..........
; I
! I / :
..........7
г/.....н
.....#.......г
ЖГ
Ш 1
т\ к * * !
Чп = 0;
Чс = 50дБ; ес=3°; п = 103
I: :
V*.....
! V «!
I......V
20
10 С 10 Угол, градусы
Рис. 4
\ 1 Ч п=43дБ;
: 11 Чс = 50дБ; еп=-3°; ес=+3°; п=103
; м
|| 1 ||
11 1 1 1 1........................
: 11 1 ;
1 \ ;
е п— 1 \ -Т Зг-ес
\
се
ог
0.6
05
01
Я 0.3
г ог
Ч п=43дБ; Чс = 50дБ;
еп=-3°;
ес=-1°;
п=103
-20
-10 0 10 Угол, градусы
■10 0 10 Угол, градусы
Рис. 5
е
е
а а
е
а
е
е
= 50дБ, qп = 43дБ). Кроме того, они получены как среднее для п = 103 реализаций.
Однако при п =1 и незначительной интенсивности источников визуально по графику ' 9 с высокой точностью определить пеленги источников, как это показано на предыдущих графиках, не представляется возможным. Причина этого - в заметном увеличении дисперсии оценки параме )ра а . Как следствие этого, графики а 9 имеют размытость пика. Вид одной из реализаций показан на рис. 7а. Вместе с тем, и в этом случае существенные отличия его относительно графика рис. 7б, в принципе, позволяют с высокой достоверностью принять решение о наличии или отсутствии эхо-сигнала в контролируемом элементе разрешения по дальности.
Анализ этих результатов показывает, что при условной вероятности ложной тревоги F = 10-3 и угловой базе Д0 = 2° (Д0/0о,5р = 0,1) для указанных значений интенсивности сигнала и помехи ( qc,qп ) решение о наличии сигнала в контрольном элементе разрешения по дальности по одной реализации (п = 1) принимает-
ся с вероятностью D равной 0,03; 0,61 и 0,95. Для тех же условий и угловой базы Д0 = 4° (Д0/е0,5р = 0,2) вероятность D соответствует значениям 0,55; 0,95 и 0,99.
Таким образом, анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы.
1. Алгоритм дополнительной обработки сигналов позволяет повысить угловое разрешение амплитудного суммарно-разностного моноимпульсного пеленгатора выше предела, соответствующего критерию Релея, а также с точностью до элемента разрешения оценить дальность до источника импульсного сигнала. При работе пеленгатора по одиночному источнику (как когерентного, так и некогерентного излучения) данный алгоритм обеспечивает возможность получения более точных оценок углового положения.
2. В направлении источника сигнала алгоритм обеспечивает значительное снижение отношения помех/шум, что равносильно подавлению помехи. Это и создает благоприятные условия для выделения сигнала, в том числе и в случае, когда его интенсивность существенно ниже помехи.
3. Показатели качества углового раз-
Угол
;. 6
«■/а,™
0.9
§ 0.8 =
и
=" 0.7
ей К
С 0.6
О
£ 0.5
Я
а
° 0.4
|о.з
о
- 0.2 0.1
-20
-10 0 10 Угол, градусы
а) "
20
Яп =з<№ _ ql. = ЗОдБ; е„ =-з=;" 0С=+3=; -11-1
и*
а/Оша;
0.9
£ 0.8 =
и
- 0.7 =
С о-в
О
% 0.5
сз т
|0.4
|о.з
о
- 0.2 0.1
I Чп =30дБ;. Яс = 30дБ; б с -О1; ■ п - * . 1 ГУ2 .
) \
-20 -10 0 10 20 Угол, градусы
б)"
Рис. 7
w(a) 0.35 0.3 0.2Б 0.2 0.15 0.1 0 05 О
Яп = 30 дБ; А9 = 2°
qс = 0
г/....... J А........
; 1 . 1 1 \ Яс = 20дБ
У
-¡-.1-1...... qс =30дБ
^.......
| ! IV V ¡-Л А ' Яс = 40 дБ
к ш ч ...У.^.У
20
40
а/ао
w(a) 0.3 025 02 0 15 0.1 0 05 О
qс = 0
Г
qс = 20дБ
20
40
qп = 30 дБ; А9 = 4°
Яс = 30 дБ Яс = 40 дБ
а/оо
Рис. 8
решения зависят от относительных значений (относительно шума каналов) интенсивности помехи и полезного сигнала При условии, когда эти параметры соизмеримы и соответствуют диапазону 30-50дБ, выигрыш по значению угла разрешения может достигать значения от 1,5 до 3,5 раза.
4. Для решения задачи разрешения-обнаружения наиболее информативным параметром является величина сечения пика главного лепестка пеленгацион-
ного рельефа. Использование его в качестве критерия может обеспечить дополнительное увеличение показателей качества работы алгоритма.
Литература
1. Патент на полезную модель №0119126 по заявке №2012100883/07 от 18.01.2012 г.
2. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - 2-е изд. - М.: Радио и связь, 1984. - 312 с.
