CC BY
172
УДК 629.7.058.42
Боков1 А.С., Важенин1 В.Г., Дядьков1 Н.А., Иофин2 А.А., Мухин2 В.В.
1ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия
2ОАО «Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь", Каменск-Уральский, Россия ПОЛУНАТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИОЛОКАЦИОННОГО КАНАЛА С ПЕРЕМЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
Для проверки точностных и функциональных характеристик, экспериментального исследования показателей качества и надежности различных радиолокационных систем (РЛС), в том числе радиодальномеров и радиовысотомеров (РВ) - измерителей высоты полёта, можно использовать имитаторы сигналов, формирующих на входе РЛС эхо-сигналы радиолокационных целей и подстилающих поверхностей.
В зависимости от типа сигнала и способов сканирования РЛС оптимальными будут различные методы и алгоритмы формирования имитирующего сигнала. В современных РЛС могут использовать сигналы с переменными параметрами модуляции, зависящими от текущих значений дальности, уровня основного сигнала, уровня помех, соотношения задержек и уровней сигналов при многолучевом распространении. Перечисленные параметры определяются параметрами радиолокационного канала (среды распространения зондирующего сигнала) и на практике не являются постоянными из-за наличия движения целей или самой РЛС. Поэтому формирование отраженного сигнала и последующее его воспроизведение необходимо выполнять в реальном масштабе времени на основе текущей реализации зондирующего сигнала, сохраняя возможность последующей когерентной обработки в РЛС.
Аналогично, в большинстве РВ с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) в настоящее время реализуется следящий прием отраженного сигнала со стабилизацией дальномерной частоты за счет изменения параметров модуляции. При этом парамет-
ры зондирующего сигнала при движении над поверхностью имеют случайные вариации, обусловленные случайным характером даже мелких шероховатостей подстилающей поверхности. Этот факт исключает возможность предварительного расчета отраженного сигнала даже в случае детерминированной траектории движения и имитируемого рельефа подстилающей поверхности. При математическом моделировании отраженный сигнал можно представить и найти как сумму сигналов, отраженных всеми участками поверхности (в пределах облучаемой площади/объема пространства) или эквивалентными блестящими точками.
Известно устройство для имитации радиолокационных портретов - сигналов реальных целей (рис. 1 [1]), в котором зондирующий импульс от радиолокатора, для которого создаётся радиолокационный портрет, поступает через приёмную антенну, усилитель, устройство грубой задержки, устройство точной задержки, набор модуляторов и сумматор на выход имитатора. Устройство грубой задержки осуществляет задержку по времени, соответствующую расстоянию до ближайшей блестящей точки имитируемой цели. Линия задержки с отводами обеспечивает имитацию блестящих точек цели. Амплитудные и фазовые модуляции выполняются с помощью эталонных сигналов, соответствующих характеристикам целей. С выхода модулятора сигналы, имитирующие соответствующие блестящие точки, поступают на сумматор и далее в передающую антенну.
Рисунок 1 - Имитатор радиолокационной цели с высоким разрешением
Имитаторы такого типа на основе СБИС 187 9ВМ3 размещённой на инструментальном модуле МС-23.01 [2] были созданы в ОАО «УПКБ «Деталь» - ИЦ БСУ, ИОС-РВ [3, 4]. Использование СБИС 187 9ВМ3 позволило достаточно просто решить задачу имитации сигналов, отраженных точечной целью, в том числе при движении цели с дискретом по дальности около 2 м. При этом по результатам лабораторных испытаний [4, 5] минимальное значение имитируемой дальности (высоты) ограничивается возможностью модуля МС23.01 и задержкой в аналоговом тракте имитаторов и составляет около 15 м.
Для расширения диапазона и уменьшения дискретности имитируемых параметров радиолокационных каналов с переменными параметрами возможно усложнение алгоритма формирования отраженного сигнала. Например, для уменьшения имитируемой дальности в существующей аппаратной реализации имитаторов сигналов для РВ возможно использование сдвига частоты [6]: РВ с несимметричной ЛЧМ (НЛЧМ) будет регистрировать эквивалентную малую высоту, если при формировании сигнала выполнить дополнительный частотный сдвиг Дf в сторону «сближающую» на измерительном участке графики излученного Ш^) и формируемого/принимаемого ГС^) сигналов: см. рис. 2.
Дальность/высота в РВ с НЛЧМ оценивается по значению частоты биений на выходе смесителя:
f(t) =fm(t) - fo(t).
Рисунок 2 - Имитация эквивалентных малых высот для РВ с НЛЧМ
При несимметричной нарастающей «пиле» ЛЧМ (см. рис. 2) в основной части измерительного участка (исключая зоны обращения)
f(t) = const = Fb. Видно, что положительный сдвиг частоты Af для сигнала, задержанного на Tmin, приведёт к уменьшению значения средней частоты биений Fb и соответственно к уменьшению измеряемой высоты.
Применение этого метода при симметричной ЛЧМ (СЛЧМ) с чередованием в каждом периоде измерительных интервалов с линейным ростом и спадом
fn(t) даст 2 значения частоты биений, т.к. положительный сдвиг частоты Af для сигнала, задержанного на Tmln, приведёт к уменьшению значения Fb в одном полупериоде и к такому же увеличению Fb во втором полупериоде. Если бы вычислитель в РВ работал по переднему фронту спектра, то задача уменьшения измеряемой дальности была бы решена, но в серийных СЛЧМ РВ для уменьшения влияния вертикальной скорости (из-за эффекта Доплера происходит аналогичное смещение
частоты принимаемого сигнала) выполняется усреднение измерений на всём периоде модуляции.
На рис. 3 приведён принцип формирования гармоник огибающей спектра сигнала биений при СЛЧМ: для уменьшения имитируемой высоты каждая гармоника с т < хт1п заменяется на две гармоники, формируемые с т = Тфорж, причём для первой (fИ - ГС1) делается положительный, а для второй (fИ - ГС2) отрицательный сдвиг по частоте А£.
f
fo
v fci / \ ✓ \
/ -X s--fc0 Ч f /у N Ч ^ X х \ \ \ / s\ ✓ ч\ А F max / /fC2-X X W / / / / \ \ N / / ' \ \ Ч / // / Ч. v . S У * ' ч 4 4 N Ч Ч ч ч _______ _ ч ________
/1 F min v / / * У / \ / /' \ ч\ / / / / Ч \ f/ ' ' '' X N /.' / ч +Af ч ч \ \ с> \ ч / \ N\\ /
/ / > f ✓ ✓ Г ч ч ч ч t \
0 Tmin Тформ fa fC2 -----
Тм
f
fa -fСО
fa -fci
Fm
A V. x F ■ V- \
4/ min \\ \
V. V. V. V-\
m
/Г /
Fm
max /
/
/
Рисунок 3 - Принцип формирования дальномерных гармоник спектра сигнала биений для имитации малых высот для РВ с СЛЧМ
В результате такого варианта получается раздвоение спектров в каждый момент времени (и в первом и во втором полупериодах): гармоники с т < тт1п сформируют две пары огибающих спектра, разнесённых по оси частот на 2 А£. Варьируя только значение тформ > тт1п, можно выбрать постоянное значение Af, большее половины ширины полосы фильтра сигнала биений; вычислить задержку Тф0рм, соответствующую имитируемой высоте.
Необязательная, но улучшающая восприятие гармоника (£И - ГС0) на рис. 3 соответствует сигналу с задержкой тт1п без сдвига по частоте, её положение в обоих полупериодах периода модуляции постоянно, и на рис. 3 она формирует хвостовую часть низкочастотной огибающей спектра сигнала биений.
В итоге, при обработке в приемнике непрерывных сигналов, высокочастотные гармоники будут подавлены или отброшены (т.к. по имитируемой дальности находятся далеко от цели) , а измеренное значение дальности/высоты будет определяться по низкочастотной огибающей спектра с меньшим значением имитируемой высоты.
При этом, для упрощения конструкции, можно смещать по дальности весь радиолокационный портрет цели без анализа возможности имитации некоторой его части (например, гармоники ГС0 на рис. 3) с применением только линий задержки.
Тогда, для улучшения характеристик имитатора в схему рис. 1 необходимо добавить переменную линию задержки, два устройства сдвига частоты и второй сумматор (см. рис. 4).
В зависимости от значения задержки т в линии задержки выполняется имитация смещения имитируемой цели по дальности относительно дальности носителя:
в меньшую сторону при т < т0 = АЦУс,
в большую сторону при т > т0,
где т0 - задержка в имитаторе, при которой смещение цели отсутствует; У£ - модуль скорости линейного изменения частоты, Af - параметр, выбираемый примерно равным или больше ширины избирательного фильтра захвата и сопровождения цели в РЛС.
При т = 0 и постоянном значении модуля скорости линейного изменения частоты РЛС положение
0
имитируемой цели по С приёмной
дальности уменьшится на величину:
антенны„
1. Уси-
литель
2. Многоотводная ЛЗ
%
3. Мод.
4. Первый сумматор
■4/- т
•|5. ЛЗ |—
6.
+Af 4
8. Второй сумматор
7. t
-Af
На передающую антенну ^
Рисунок 4 - Имитатор радиолокационной цели при зондировании сигналами с СЛЧМ-модуляцией
AR = Т=sAAL
2 2 Vf'
(1)
где с - скорость света.
Особенностью описанного решения для построения имитатора является то, что независимо от направления и сочетания знаков скорости линейного изменения частоты РВ и РЛС с ЛЧМ, имитируются две одинаковые цели, причём первая - основная цель может имитироваться на дальности меньше дальности носителя РЛС, а вторая цель будет отнесена по дальности на 2-Дйщах и при соответствующем выборе значения ДГ не будет мешать корректному слежению РЛС за основной целью.
При наземных испытаниях СЛЧМ РВ и РЛС описанное решение позволяет скомпенсировать собственную аппаратную задержку в цепях имитатора, уменьшить дискретность и обеспечить имитацию дальностей от 0 м при сохранении всех аппаратных и функциональных возможностей имитационного комплекса.
В современных РВ и РЛС с ЛЧМ для повышения точности работы может варьироваться не только знак, но и само значение скорости линейного изменения частоты. В этом случае зависимость Дйшах отУ не является прямо пропорциональной, но может быть найдена при известном принципе работы радиолокатора в случае зависимости параметров линейной частотной модуляции от величины измеряемой дальности цели.
Предположим, что радиолокатор (или ЛЧМ РВ) выполняет слежение за дальностью (высотой над поверхностью РВ) цели Н таким образом, чтобы частота сигнала биений была постоянной: ЕЬ =
const. Тогда, учитывая, что при СЛЧМ скорости линейного изменения частоты 2W/TM, где W - девиация частоты; TM -модуляции, получим:
cFb
Vf ="
2 H
модуль Vf = период
(2)
В ряде случаев точные значения ЕЬ, Н, неизвестны, поэтому желательно обеспечить работу имитатора радиолокационной цели с независимой оценкой текущих значений параметров линейной частотной модуляции. Непосредственное измерение текущих значений И и Тм затруднительно, так как требует применения сигнальных процессоров.
Но, в общем случае, возможна оценка значения Ус непосредственно по входному сигналу с использованием образцовой линии задержки на величину тгеС и смесителя задержанного и незадержанного сигналов [7]. Для НЛЧМ и СЛЧМ видов модуляции частота сигнала Ё1еС формируемого на выходе смесителя будет пропорциональна искомому значению :
/ге/
Vf =
(3)
'™f
В качестве сигнала с образцовой линии задержки тгеС может быть взят сигнал с любого удобного для последующей обработки выхода многоотводной линии задержки.
Для реализации независимого определения параметров линейной частотной модуляции, устройство на рис. 4 дополнительно снабжено последовательно соединенными смесителем и устройством формирования задержки - см. рис. 5.
1-й отвод
Рисунок 5 - Имитатор радиолокационной цели при зондировании сигналами с переменными параметрами ЛЧМ-модуляции
Устройство на рис. 5 работает аналогичным образом, как и ранее описанное на рис. 4, но на входы смесителя поступают сигналы с выхода усилителя и с одного из выходов многоотводной линии задержки, таким образом на выходе смесителя формируется сигнал с помощью которого в
устройстве формирования задержки Дт по выражению (3) находится значение скорости изменения частоты и далее по поступающей из внешнего
устройства величине требуемого смещения сигнала по задержке «Ат» и выражению (4) находится значение задержки т для переменной линии задержки 5:
т = Ат + AL / Vf-rmt =Ат + Af Т--7mt , (4)
fref
где ^nt - собственная (внутренняя) задержка в цепях имитатора;
Ат - требуемое смещение сигнала по задержке: при уменьшении имитируемой дальности или компенсации собственной задержки - значение со знаком минус.
Имитатор радиолокационной цели по схеме рис. 4, с заменой сумматора на эквивалентную коммутацию слагаемых сигналов [8], был реализован на основе ИОС-РВ [4, 5] и экспериментально исследован с серийно выпускаемыми в ОАО «УПКБ «Деталь» НЛЧМ и СЛЧМ РВ. Полученные результаты подтверждают возможность имитации малых высот путём сдвига частоты и формирования двух пар Н, м
огибающих спектра, разнесённых на достаточную величину.
На рис. 6 приведен пример зависимости измеренной высоты от времени, полученный при проведении испытаний СЛЧМ РВ А-052. Имитируемая начальная высота 10 м, вертикальная скорость: взлёт 10 м/с, спуск -100 м/с, такт установки значений высоты 150 мс. В общем масштабе графики почти совпадают, а на увеличенном участке видна систематическая ошибка и замедленная реакция высотомера при изменении знака и величины вертикальной скорости.
65 t, С
Рисунок 6 - Пример результатов испытаний РВ «в динамике»
На рис. 7 показан пример результатов проверки РВ при испытаниях вблизи и за пределами диапазона измерений. Приведена зависимость заданной и измеренной высоты от времени с примером отображения вида и времени разовых сигналов в форме автоматических описаний точек: в точке «а» при выходе высоты за рабочий диапазон (Я
измеренная становится выше 1535 м правее точки «а») «снимается» признак «исправность информации» и выдается нулевая измеренная высота; в точке «б» РВ выходит из режима поиска, признак «исправность информации» восстанавливается, измеренная высота соответствует заданной.
100 150 200 250 300 350 400 450
Рисунок 7 - Пример результатов проверки РВ при полунатурных испытаниях
Таким же образом можно оценивать и другие характеристики: время включения, задержку выхода РВ из режима поиска при временном отключении СВЧ-сигнала, выходе уровня сигнала или уровня помех за рабочие диапазоны значений. Заключение
Предложенная аппаратная реализация комплекса полунатурного моделирования обеспечивает имитацию работы РВС в широком диапазоне переменных параметров радиолокационного канала:
максимальная дальность до 19 км при имитации протяженных поверхностей, 24,5 км при имитации точечных отражателей, с шагом 2 м для импульсных сигналов или порядка 0,1 м при использовании сдвигов частоты ЛЧМ сигналов;
минимальная дальность/высота при имитации сигналов с непрерывной частотной модуляцией от 0 м (зависит от параметров модуляции и общей задержки в цепях имитатора);
диапазон имитируемых скоростей ЛА до ±10 км/с, с шагом 0,3 м/с.
динамический диапазон, обеспечиваемый аттенюаторами выходного сигнала ИОС-РВ: до 157,5 дБ, с шагом 0,5 дБ.
Полунатурное моделирование радиолокационного канала с переменными параметрами движения целей и РЛС позволяет экспериментально исследовать показатели качества и надежности радиолокационных систем во всём диапазоне рабочих параметров, что безусловно важно для повышения безопасности воздушных полётов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Перунов Ю.М. Радиоэлектронное подавление информационных каналов систем управления оружием / Ю.М. Перунов, К.И. Фомичев, Л.М. Юдин; под. ред. Ю.М. Перунова. Изд. 2-е, испр. и дополн. М.: Радиотехника, 2008. 416 с.
2. Инструментальный модуль МС23.01 на базе СБИС «система на кристалле» 187 9ВМ3 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.module.ru/ catalog/micro/ processor_187 9bm3_dsm/.
2. Боков А.С. Имитатор отраженных сигналов радиолокационных систем / А.С. Боков,
В.Г. Важенин, Л.П. Воробьев, Н.А. Дядьков, В.В. Мухин, Ю.Г. Нестеров, А.И. Сиротин // Радиовы-сотометрия - 2004 : труды Первой Всероссийской НТК; под ред. А.А. Иофина, Л.И. Пономарева. Екатеринбург: Издательство АМБ, 2004. С.164 - 168.
t, c
4. Боков А.С. Оценка качественных характеристик бортовых радиовысотомеров. / А.С. Боков, В.Г. Важенин, Н.А. Дядьков, А.А. Иофин, В.В. Мухин, Д.Е. Щербаков // Надежность и качество: труды Международного симпозиума. Пенза: изд-во ПГУ, 2010. Т. 1. С. 16-18.
5. Боков А.С. Принципы построения и алгоритмы работы имитатора сигналов бортовых радиовысото-мерных систем в режиме реального времени. / А.С. Боков, В.Г. Важенин, Н.А. Дядьков, А.А. Иофин, В.В. Мухин // Надежность и качество - 2014: Статьи Международного симпозиума: в 2 т. под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во Пенз. ГУ, 2014. Т. 1. С. 108-111.
6. Саломасов В.В. Особенности имитации отраженного сигнала для РЛС с ЛЧМ / В.В. Саломасов, А.А. Щербаков // Известия вузов. Радиоэлектроника. Т. 30. М. 1987. С. 84-86.
7. D. Shishulin, N. Yurkov, A. Yakimov Modeling the Radiation of a Mirror Antenna taking Vibration Deformations into Account. Measurement Techniques. -2014. -Vol. 56, № 11, February. -P. 1280-1284
8. Electronically adjustable delay-simulator for distance-measuring apparatus operating on the frequency-modulated continuous wave principle. Патент US 4 661818.
9. Горячев Н.В. Стенд исследования тепловых полей элементов конструкций РЭС/ Н.В. Горячев, И.Д. Граб, А.В. Лысенко, П.Г. Андреев, В.А. Трусов //Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2008. Т. 2. С. 162-166.
10. Имитатор радиолокационной цели при зондировании преимущественно длительными сигналами. Патент RU 2504799. Опубликован: 20.01.2014. Бюл. № 2. 12 с.
УДК 629.7.058.42
Важенин1 В.Г. , Дядьков1 Н.А., Иофин2 А.А., Калмыков2 Н.Н., Васильева2 А.В, Мельников2 С.А., Тимошенкова1 Ю.С.
1ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия
2ОАО «Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь", Каменск-Уральский, Россия ИМИТАЦИЯ КОРРЕЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ, РАССЕЯННЫХ ПРОТЯЖЕННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
При полунатурном моделировании задача создания аппаратуры и программного обеспечения осложняется тем, что математические модели, описывающие процессы распространения электромагнитных волн и их отражение от протяженной шероховатой поверхности, практически не реализуемы в реальном масштабе времени для генерации мгновенных значений сигнала на входе приемной антенны или на выходе приемного устройства.
Как следствие возникает проблема создания имитаторов сигнала, отраженного протяженными поверхностями в реальном масштабе времени, использующих упрощенные модели отражения сигналов протяженными поверхностями или имитационные модели их формирования и обеспечивающих реализацию сигнала по заданным критериям сигнала, подобного отраженному от поверхности. Работы [1, 2] позволили рассмотреть направления и возможности решения указанной проблемы.
Важно учитывать формирование и обоснование необходимых и достаточных критериев подобия сигналов, учитывающих цели и задачи полунатурного моделирования.
Поскольку в канале измерения скорости корреляционных измерителей (КРИСС) [3, 6, 8, 9] в качестве информационного параметра используются значения отраженного сигнала, взятые через период модуляции, его корреляционные характеристики определяются межпериодной корреляцией. Естественно, что при моделировании канала измерения скорости необходимо сохранить подобие именно межпериодных флуктуаций отраженного сигнала, при этом форма отраженного импульса, существенная для канала измерения высоты несущественна для канала измерения скорости. Тогда можно предложить обобщенную структуру имитатора сигнала, представленную на рис.1.
Рисунок 1 - Принцип имитации отраженного сигнала КРИСС
Сигналы Б1, S2, S3 (рис. 2), имитирующие сигналы в приемных КРИСС, должны удовлетворять следующим требованиям:
1. Амплитуды сигналов должны иметь релеев-ское распределение, фазы - равномерное.
2. Мощности сигналов должны быть одинаковыми.
3. Автокорреляционные функции (АКФ) должны быть идентичными и совпадать с АКФ реального сигнала.
4. Взаимнокорреляционные функции (ВКФ) сигналов должны совпадать с сечениями двумерной АКФ реального сигнала В(г), соответствующими траектории движения антенн [7].
5. Временное положение максимумов ВКФ должно соответствовать транспортному запаздыванию.
6. Максимумы ВКФ должны соответствовать значениям двумерной АКФ реального сигнала В(г^).
Поскольку в рамках феноменологической модели квадратурные компоненты сигнала, отраженного элементом поверхности, являются независимыми нормальными процессами с нулевым средним [1, 2], их сумма в пределах облучаемой площади также является нормальным процессом. Тогда суммарный сигнал может быть представлен в виде суммы двух независимых нормальных квадратурных составляющих, являющихся результатом фильтрации нормального белого шума линейным формирующим фильтром (ФФ).
Функциональная схема одной квадратурной составляющей формирования информационных сигналов, реализующая этот подход, представлена на рис.2.
