Методы и устройства устранения неоднозначных измерений дальности в импульсных радиотехнических системах

Повышение эффективности методов и устройств обнаружения сигналов и измерения их параметров при наличии помех, в том числе сигналов в радиодальномерах, является важной народнохозяйственной задачей, решение которой способствует повышению качества выпускаемых радиотехнических систем и обороноспособности страны. Современные принципы построения устройств обнаружения сигналов ориентированы на цифровую обработку сигналов и широкое использование средств вычислительной техники. Это позволяет с наименьшими затратами обеспечить высокое качество, точность и достоверность получаемой информации, а также реализовать более сложные и эффективные алгоритмы.

Обнаружение сигналов и определение расстояния являются основными задачами радиодальномеров и ряда акустических устройств (эхолотов, дефектоскопов и др.) систем дистанционного наблюдения. Воздействие помех и шумов приводит к маскировке полезных сигналов и вносит неопределенность в результаты обработки наблюдаемого процесса. Одним из видов помех, которые возникают в импульсных радиодальномерах, является класс так называемых помех на N-ou ходе развертки, N>1 [7]. В качестве помехи на N-ом ходе развертки выступают сигналы от объектов, находящихся за пределами максимальной однозначно измеряемой дальности. Неоднозначное измерение дальности в импульсных дальномерах является их неотъемлемым свойством, поэтому задача устранения неоднозначности отсчета дальности и задача снижения влияния действия помехи на N-ом ходе развертки тесно связаны.

Помехи на N-ом ходе развертки оказывают отрицательное влияние на характеристики импульсных радиодальномеров, приводят к большим ошибкам измерения дальности, увеличивают уровень боковых лепестков сжатого сигнала и фильтров устройств селекции подвижных целей [7]. Сигналы ложных целей, вызванные помехами на N-ом ходе развертки, статистически не отличимы от сигналов целей, находящихся в пределах однозначного измерения дальности. Поэтому такие отметки поступают на устройство измерения координат, на процессор вторичной обработки информации и затрудняют работу оператора. При наличии устойчивой помехи за несколько обзоров происходит обнаружение и захват траектории ложной цели, т. е. процессор вторичной обработки начинает формировать ложную информацию об обстановке в зоне ответственности радиодальномера. Большое количество таких помех приводит к перегрузке вычислительных средств и возможной потере сопровождения полезных целей.

Поскольку помеха на iV-ом ходе развертки является ложной, то необходимо применение специальных мер по устранению неоднозначности измерения дальности или подавления подобных помех. Они аналогичны сигналу, поэтому бороться с такого рода помехами затруднительно. Большой вклад в разработку методов и алгоритмов снижения помех на N-ом ходе развертки внесли отечественные и зарубежные ученые: М. И. Финкельштейн, В.В.Григорин-Рябов, П. А. Бакулев, В. И. Раков, Ю. Г. Сосулин, А. И. Перов, Р. Довиак, Д. Зрнич, Ч. Мюэ, М. Сколник, Я. Д. Ширман, А. В. Оппенгейм и др. Не смотря на то, что проблема устранения неоднозначных и однозначных измерений имеет давнюю историю, интерес к ее решению не спадает в настоящее время [98, 99].

Анализ опубликованных работ [7−9, 29, 35, 39, 54−57, 59−68, 71, 72, 75−80, 82, 83, 89, 96−99] показывает, что известные методы и результаты характеризуются следующими ограничениями:

1. Основное внимание уделяется подавлению помех на 2-м ходе развертки. Недостаточно исследованы вопросы устранения неоднозначности измерений в общем случае прихода сигналов с 2-го, 3-го и т. д. интервалов неоднозначности.

2. Мало внимания уделяется вероятностному анализу алгоритмов и устройств снижения уровня помех на vV-ом ходе развертки, результаты которого служат основой для сравнения и оценки эффективности различных технических решений.

— 63. Недостаточно исследованы вопросы различения сигналов с однозначным и неоднозначным измерением дальности и помех в виде хаотических импульсных последовательностей (непреднамеренные импульсные помехи).

4. Мало внимания уделяется методам устранения неоднозначности измерения дальности в импульсных радиодальномерах с квазинепрерывным излучением при использовании сложных зондирующих сигналов.

Таким образом, в настоящее время существует актуальная техническая и научная проблема дальнейшего развития методов устранения неоднозначности измерения дальности и разработки новых эффективных алгоритмов снижения помех на N-ом ходе развертки, расширения сферы их практического применения для импульсных дальномеров различных классов.

Основная цель диссертационной работы состоит в развитии методов устранения неоднозначности измерений дальности в импульсных радиодальномерах и разработке алгоритмов и структур обработки эхо-сигналов, использование которых позволяет повысить эффективность обнаружения целей и защиты от воздействия помех на Nом ходе развертки.

Основные задачи. Для достижения данной цели было необходимо:

• провести анализ различных методов устранения неоднозначных измерений дальности, используемых в современных импульсных дальномерах;

• разработать и обосновать новые высокоэффективные алгоритмы и устройства устранения неоднозначности измерений дальности;

• разработать принципы построения и методологию выбора параметров канала дополнительной обработки, используемого для классификации целей, расположенных в зонах однозначного и неоднозначного измерения дальности;

• провести синтез и исследовать эффективность работы обнаружителей сигналов с каналом дополнительной обработки, построенном на базе теории распознавания образов;

• провести синтез и анализ эффективности работы удобных для реализации в цифровой форме алгоритмов устранения неоднозначности отсчета с использованием обработки эхо-сигналов в частотной области;

• выполнить статистическое моделирование и провести сравнительный анализ эффективности известных и разработанных устройств, обеспечивающих с высокой вероятностью устранение неоднозначности измерения дальности.

Кроме того, в рамках поставленных задач исследований было необходимо:

• обосновать и разработать новые модели эхо-сигналов от целей, находящихся за пределами однозначного измерения дальности, для проведения статистического эксперимента при моделировании процессоров сигналов импульсных дальномеров;

• изучить возможности применения вобуляции периода повторения зондирующих сигналов для селекции непреднамеренных импульсных помех.

Научная новизна диссертационной работы. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты.

1. Для импульсных радиодальномеров решена задача снижения вероятности обнаружения ложных эхо-сигналов от целей, расположенных за пределами однозначного измерения дальности, до уровня 0,02 и менее. Задача решена на основе использования методов теории распознавания образов.

2. Предложены способ и устройство обработки эхо-сигналов во временной и частотной областях для импульсных радиодальномеров с вобуляцией периода повторения зондирующих сигналов.

3. Получены статистические характеристики устройств обнаружения во-булированных импульсных сигналов с одновременным устранением неоднозначности измерений дальности.

4. Проведены исследования и найдены количественные оценки эффективности качества работы известных алгоритмов и устройств устранения неоднозначных измерений дальности и предлагаемого метода, основанного на распознавании образов вобулированных пачек импульсов, что позволяет произвести выбор наиболее эффективного метода с учетом возможностей реализации.

5. Предложен алгоритм обработки сигналов в когерентном импульсном радиодальномере с квазинепрерывным сложным сигналом и вобуляцией периода повторения зондирующих сигналов, а также методика отображения отметок от целей, находящихся за пределами рабочей зоны дальномера.

6. Разработан новый алгоритм классификации непреднамеренных импульсных помех и пачек вобулированных импульсов с однозначным и неоднозначным измерением дальности.

Практическое значение результатов работы определяется тем, что они могут использоваться при разработке радиотехнических устройств обработки импульсных последовательностей (или пачек импульсных сигналов), обеспечивающих с высокой вероятностью устранение неоднозначности отсчета при измерении дальности в импульсных радиодальномерах. Положительный эффект достигается путем применения вобуляции периода повторения зондирующих сигналов и введения в тракт обнаружения канала дополнительной обработки, работа которого основана на использовании предложенных в диссертации алгоритмов и структур.

К числу наиболее значимых для практики результатов относятся:

— принципы построения и структурные схемы процессоров первичной обработки пачек импульсных радиосигналов с устройствами подавления помех «второго хода развертки» в импульсных радиодальномерах с круговым обзором пространства;

— принципы построения и структурные схемы устройств специальной обработки импульсных сигналов для устранения неоднозначности отсчета измерения дальности в радиодальномерах с квазинепрерывным излучением;

— результаты анализа методов амплитудной модуляции импульсов, поим-пульсной смены поляризации, фазы и кода сложных сигналов для снижения уровня помех на 2-ом ходе развертки;

— результаты сравнительного анализа алгоритмов «к из п» и «к подряд из п» при использовании их в канале дополнительной обработки для снижения вероятности обнаружения помех на 2-ом ходе развертки;

— результаты сравнительного анализа алгоритмов на основе распознавания при использовании их в канале дополнительной обработки для снижения вероятности обнаружения помех на iV-ом ходе развертки при вобуляции зондированного сигнала;

— программы моделирования на ЭВМ различных режимов работы аппаратуры обнаружения маловысотной радиолокационной станции кругового обзора со сложным зондирующим сигналом.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы: в хоздоговорных научно-исследовательских работах «Исследование технических характеристик и разработка предложений по модернизации составных частей изделия 39Н6» (НИР № 2585/01, 2001/2002 г. г.) — «Исследование методов улучшения тактикотехнических характеристик маловысотной PJTC за счет снижения УБЛ, стабилизации энергетического потенциала и автоматической компенсации помех» (НИР № 2817/02, 2002/2003 г. г.) — «Исследование методов и алгоритмов первичной и вторичной обработки радиолокационной информации» (НИР № 2939/03, 2003 г.) — «Исследование целочисленных функций для весовой обработки J14M сигналов и разработка предложений по модернизации блока ЦОС изделия Гамма-С1Е» (НИР № 2974/03, 2003 г.) — «Исследование методов и алгоритмов устранения неоднозначности измерения дальности в импульсных РЛС» (НИР № 80−03, 2004 г.) — в госбюджетных научно-исследовательских работах «Методы, алгоритмы и программные средства оценочнокорреляционной обработки информации в частотной и частотно-временной областях» (шифр ГОО-4.2−1, НИР № 401−01−01, МАИ (ГТУ), 2001/2002 г. г.), выполненной при поддержке гранта Минобразования РФ по фундаментальным исследованиям, раздел «Информатика», подраздел «Средства ввода, хранения, обработки и передачи информации" — «Методы и устройства активно-пассивной радиолокации и их применение в автоматизированных системах обеспечения безопасности движения летательных аппаратов» (шифр 205.05.01.057, НИР № ГБ-358/03, МИ ВлГУ, 2003/ 2004 г. г.), выполненной в рамках научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Новые авиационные, космические и транспортные технологии», раздел «Прогрессивные транспортные технологии и безопасность».

Практические результаты диссертации использованы при разработке, испытании и производстве аппаратуры цифровой обработки маловысотной РЛС кругового обзора со сложным зондирующим сигналом, при проектировании систем ближней радиои звуковой локации и слежения за внешними источниками звука и внедрены в ОАО «Муромский завод радиоизмерительных приборов» и ОАО «Муромский радиозавод», что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся научно обоснованные технические разработки, имеющие существенное значение для решения задачи совершенствования импульсных дальномеров, в том числе:

1. Способ и устройство обработки вобулированной пачки радиоимпульсов (патент РФ на изобретение № 2 237 259), позволяющие существенно снизить вероятность обнаружения помех на Nом ходе развертки в импульсном дальномере и устранить неопределенность в измерении дальности.

2. Алгоритм и структурная схема устройства обработки вобулированной пачки радиоимпульсов на основе анализа автокорреляционной функции, позволяющие обеспечить высокую эффективность обеспечения однозначных измерений.

3.Метод обработки вобулированной пачки радиоимпульсов в частотной области, позволяющий использовать эффективные вычислительные алгоритмы при реализации в цифровом виде.

4. Результаты моделирования и сравнительного анализа различных алгоритмов обнаружения сигналов при использовании методов снижения помех на N-ом ходе развертки, позволяющие оценить потери в пороговой мощности сигнала и оптимизировать структуру и параметры обнаружителяклассификатора в различных режимах работы импульсного дальномера.

Методы проведения исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использованы методы цифровой обработки радиотехнических сигналов, их спектрального и корреляционного анализа, теории вероятностей, теории случайных процессов, теории проверки статистических гипотез, теории оптимального обнаружения сигналов, а также методы статистической радиотехники и метод статистических испытаний.

Обоснованность и достоверность положений, выводов и рекомендаций подтверждается соответствием теоретических и экспериментальных характеристик обнаружения сигналовиспользованием общепринятых критериев качества функционирования радиотехнических системиспользованием классических методов моделирования случайных процессов, методов математической статистики и статистической радиотехники.

Основные публикации по работе. По тематике исследований получен патент РФ на изобретение № 2 237 259 и опубликовано 16 печатных работ, в том числе 2 статьи в журнале, включенном в перечень ВАК, 6 статей в сборниках научных трудов, 8 докладов и тезисов докладов в трудах конференций и симпозиумов.

Апробация работы. По материалам диссертации представлено и сделано 10 докладов на следующих конференциях: «German Radar Symposium» — GRS-2002. Bonn, Germany. 3−5 September 2002; Всероссийская научная конференция «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» -СРСА-2003. Муром, Россия. 1 — 3 июля 2003; 5-я Международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии в средствах передачи информации» — ПТСПИ-2003. Владимир, Россия. 1 — 4 июля 2003; «International Radar Symposium» — IRS-2003. Dresden, Germany. 30 September -02 October 2003; Международная научная конференция «Системный подход в науках о природе, человеке и технике» — С-2003. Таганрог, Россия. 20 — 22 ноября 2003; Научно-практическая конференция «Радиолокационная техника: устройства, станции, системы» — PJIC-2004. Муром, Россия. 2−4 июня 2004; 6-я Международная конференция и выставка «Цифровая обработка сигналов и ее применение» — DSPA-2004. Москва, Россия. 31 марта — 2 апреля 2004; 7-я Meждународная конференция и выставка «Цифровая обработка сигналов и ее применение» — DSPA-2005. Москва, Россия. 16−18 марта 2005.

Личный творческий вклад автора. Автором формировались основные принципы и положения исследований по теме диссертации. Автору принадлежит идея постановки основных теоретических задач, создание алгоритмов и программ для расчетов на ЭВМ, разработка методики обработки результатов моделирования, инициатива проведения ряда экспериментальных исследований, интерпретация теоретических и экспериментальных результатов, выводы и рекомендации по материалам исследований. В работах, написанных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: в работах [Al, А8, А10, А13, А18] предложены модели эхо-сигналов целей, находящихся за пределами однозначного измерения дальности, принципы построения канала дополнительной обработки на основе классификации сигналов, разработаны структурные схемы канала дополнительной обработки и методика моделирования для расчета вероятности подавления ложных эхо-сигналовв работах [А2, А7] разработана методика проведения натурного эксперимента для исследования устройств поляризационной селекции для подавления помех на 2-ом ходе разверткив работе [А5] предложены и реализованы модели эхо-сигналов целей, находящихся за пределами однозначного измерения дальностив работах [А6, А9] проведено компьютерное моделирование и исследование эффективности устройств обнаружения при использовании различных алгоритмов в канале дополнительной обработкив работе [А 14] получены аналитические выражения для расчета дальности радиодальномера в условиях аномального распространения радиоволн.

Примечание: Источники, на которые даны ссылки с буквой «А», содержатся в «СПИСКЕ РАБОТ АВТОРА» (стр. 173−175).

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. В приложении приведен список сокращений, изложена методика моделирования, содержатся копии актов внедрения результатов диссертационной работы.

Выводы к гл. 4.

1. Разработана и обоснована структурная схема импульсного радиодальномера с квазинепрерывным излучением сложного зондирующего сигнала, в котором за счет классификации сигналов от целей с однозначным и неоднозначным отсчетом обеспечивается устранение неоднозначности измерения дальности и обеспечивается когерентное (или некогерентное) накопление сигналов, что способствует повышению эффективности обнаружения объектов дистанционного наблюдения.

2. Для импульсных радиодальномеров с вобуляцией зондирующих импульсов разработана методика отображения информации об объектах, расположенных за пределами максимальной однозначно измеряемой дальности. Использование канала дополнительной обработки позволяет получить дополнительную информацию о воздушной обстановке за пределами максимальной однозначно измеряемой дальности, что особенно важно для систем УВД.

3. Проведен анализ влияния непреднамеренных импульсных помех на работу обнаружителя сигналов в радиодальномере с каналом дополнительной обработки. Показано, что использование в канале дополнительной обработки классификатора пачек импульсов позволяет получить в области пороговых отношений сигнал-шум максимальное значение вероятности обнаружения НИП порядка 0,7. При больших отношениях сигнал-шум вероятность обнаружения НИП целей стремится к нулю, что является достоинством данной структуры обработки. Также показано, что поведение характеристик обнаружения НИП слабо зависит от количества импульсов в пачке. Для повышения качества классификации целей, находящихся в пределах зоны однозначного измерения дальности, целей, расположенных в пределах зоны неоднозначного измерения, и НИП разработан алгоритм формирования признака на основе анализа фазовой структуры пачки (степени когерентности радиоимпульсов внутри пачки). Результаты моделирования показали, что для пачки 20 импульсов использование дополнительного критерия приводит к снижению вероятности неправильной классификации НИП в точке максимума с 0,7 до уровня менее 0,1.

— 161 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Результатом исследований, проведенных в диссертационной работе, является разработка и анализ методов, алгоритмов и устройств устранения неоднозначных измерений дальности в импульсных радиотехнических системах, позволяющих повысить эффективность измерительных радиотехнических систем. Получены следующие результаты:

1. На основе расчета и анализа диаграмм зон видимости импульсных дальномеров показано, что наиболее мощными помехами, дающими ложную информацию, являются помехи на 2-ом ходе развертки. Отмечается что, сигналы от объектов, находящихся за пределами максимальной однозначно измеряемой дальности воспринимаются как сигналы от целей, находящихся в пределах однозначного измерения дальности, и являются статистически не отличимыми от них.

2. Разработана методика расчета энергетических параметров радиодальномера, отношения сигнал-шум при распространении радиоволн в тропосферном волноводе. Доказано, что в условиях сверхрефракции возможно возникновение нескольких зон неоднозначного измерения дальности. Показано, что особую актуальность устранение неоднозначности измерений имеет в судовых и береговых радиотехнических системах измерения дальности.

3. Проведен анализ метода поимпульсного изменения фазы по случайному закону для устранения неоднозначности измерения дальности, который показал, что данный метод не позволяет полностью решить проблему неоднозначности измерений дальности. При увеличении мощности (отношение сигнал-шум q-*co) эхо-сигналов от целей, находящихся за пределами однозначного измерения дальности, вероятность их обнаружения растет и стремится к 1, а пороговое отношение сигнал-шум для таких сигналов увеличивается на 11.33 дБ при числе импульсов в пачке 10.1000.

— 1624. Рассмотрен и проанализирован метод с использованием изменения от импульса к импульсу закона модуляции сложных зондирующих сигналов. Показано, что последовательная смена вида закона внутриимпульсной модуляции в диапазоне изменения базы В = 30. 1000 позволяет получить степень подавления ложных сигналов в пределах 11.26 дБ для частотно модулированных сигналов и 5. 17 дБ при использовании сложных сигналов с внутриимпульсной фазовой кодовой манипуляцией. Исключение составляют только последовательности с нулевой кросс-корреляционной функцией.

5. Рассмотрен метод разделения эхо-сигналов с однозначным и неоднозначным измерением дальности с использованием поляризационного кодирования зондирующих сигналов от импульса к импульсу. На основе полученных экспериментальных данных показано, что поимпульсная модуляция по поляризации зондирующих радиоимпульсов позволяет достичь ослабления сигналов от ложных целей на 15.22 дБ в случае использования ортогональной поляризации. При поимпульсном переключении направления вращения круговой поляризации излучаемой волны уровень помех снижается на 10 дБ.

6. Проведен анализ метода с использованием амплитудной модуляции зондирующих импульсов. Результаты моделирования показали, что при увеличении отношения сигнал-шум вероятность неправильного устранения неоднозначности измерения дальности сначала растет, достигает некоторого максимального значения Z) max, а затем монотонно уменьшается и стремится к нулю. Показано, что величина Dmax существенно зависит от глубины амплитудной модуляции и для достижения приемлемого для практики значения вероятности Апах менее 0,1 глубина амплитудной модуляции зондирующих импульсов должна быть не менее 70%.

7. Проведен анализ устройств с использованием вобуляции межимпульсного интервала последовательности зондирующих импульсов. Показано, что за счет изменения структуры пачки импульсов на выходе устройства обработки пороговое отношение сигнал-шум увеличивается на 2,5.4 дБ в зависимости от количества обрабатываемых импульсов. Проведенный расчет характеристик обнаружения сигналов от целей, находящихся в зоне и за пределами однозначного измерения, при использовании в канале дополнительной обработки критериев «к из и» и «к подряд из п» показал, что потери в пороговой мощности сигнала от цели, находящейся в зоне однозначного измерения дальности, составляют 0,5.3,5 дБ, а вероятность неправильного устранения неоднозначности измерений достигает некоторого постоянного значения 0,1.0,5, зависящего от цифрового порога в канале дополнительной обработки.

8. Для дальномеров с вобуляцией периода следования зондирующих сигналов разработаны новые способ и устройство (патент РФ № 2 237 259) для обеспечения однозначного измерения дальности, основанные на классификации сигналов. Показано, что с увеличением отношения сигнал-шум вероятность правильного распознавания сигналов от цели, находящейся в пределах интервала однозначного измерения, увеличивается и стремится к 1. Вероятность ошибочной классификации сигналов от цели, находящейся в зоне неоднозначного измерения дальности, достигает максимального значения 0,02.0,1 в области пороговых сигналов, а затем уменьшается и стремится к нулю. Разработаны высокоэффективные алгоритмы и структурные схемы устройства обеспечения однозначных измерений на основе анализа минимума расстояния, на основе анализа автокорреляционной функции пачки импульсов, на основе анализа пачек импульсов в частотной области.

9. Разработаны и обоснованы структурные схемы импульсного радиодальномера с квазинепрерывным излучением сложного зондирующего сигнала, в котором за счет классификации сигналов от целей с однозначным и неоднозначным отсчетом обеспечивается устранение неоднозначности измерения дальности, что способствует повышению эффективности РТС. Для радиодальномеров с вобуляцией разработана методика отображения информации об объектах, расположенных за пределами максимальной однозначно измеряемой дальности.

— 16 410. На основе предложенного метода обработки пачки вобулированных импульсов и использования дополнительного критерия разработан алгоритм классификации пачек импульсов с однозначным измерением дальности, пачек импульсов с неоднозначным измерением и непреднамеренных импульсных помех. Разработанный алгоритм позволяет снизить в области пороговых отношений сигнал-шум максимальное значение вероятности обнаружения НИП с 0,7 до уровня менее 0,1. При больших отношениях сигнал-шум вероятность обнаружения НИП целей стремится к нулю, что является достоинством данной структуры обработки.

11. Материалы диссертационной работы использованы при разработке, испытании и производстве аппаратуры цифровой обработки сигналов радио-дальномерного канала маловысотной PJIC кругового обзора со сложным зондирующим сигналомиспользованы в процессе проектирования систем ближней радиои звуковой локации и слежения за внешними источниками звука. Предложенные в работе методы обработки сигналов позволяют оптимизировать структуру обнаружителя в различных режимах работы радиодальномера, сократить в 1,5.2 раза временные затраты на этапе проектирования, повысить эффективность и качество работы выпускаемой и разрабатываемой аппаратуры.

Все вновь разработанные алгоритмы подходят для реализации на элементах цифровой схемотехники, что позволяет достичь максимальной вычислительной эффективности данных алгоритмов, стабильности в работе. Материалы диссертационной работы нашли применение в промышленности.

Таким образом, достигнута цель работы — разработаны новые и исследованы известные методы и алгоритмы снижения вероятности возникновения неоднозначных измерений дальности, направленные на получение более достоверной информации о расстоянии до исследуемого объекта.

— 165.