CC BY
647СИГНАЛЫ В РАДИОЛОКАЦИИ
3
АКТИВНАЯ ЛОКАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Залогин Н. Н., Калинин1 В. И., Скнаря2 А. В.
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, 125009 Москва, Россия аФрязинский филиал ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 141120 г. Фрязино, Московская область 2Научно-исследовательский институт приборостроения им. В.В. Тихомирова, 140180 г. Жуковский, Моск.обл.
Поступила в редакцию 25.04.2011
Представлено действительным членом РАЕН В.В. Колесовым 28.04.2011
Известно, что для активной локации (как радио-, так и акустической) оптимальным зондирующим сигналом является так называемый белый шум — сверхширокополосный хаотический сигнал с нормальным (гауссовым) распределением вероятностей, неограниченный по спектру и времени. Такой сигнал обеспечивает возможность одновременного и высокоточного определения дальности до цели и скорости цели. Использование разнесенных в пространстве малогабаритных приемных устройств позволяет с помощью методов интерферометрии существенно уточнить азимутальные и угломестные характеристики лоцируемых целей. Реально работа с таким сигналом, конечно, невозможна. Однако, длительные хаотические сигналы с полосой порядка октавы (fmax/fmin=2) обеспечивают заданную точность и однозначность измерений. Спецификой таких сигналов является трудность их обработки, которая осуществляется корреляционными методами. Необходимо вычислить функцию взаимной корреляции между излученным и принятым сигналами. В микроволновом диапазоне, характерном для радиолокации, цифровые методы не работают из-за трудностей с оцифровкой сигнала, а аналоговые из-за невозможности обеспечения задержки сигнала на время распространения его до цели и обратно. Настоящая работа посвящена исследованию некоторых возможностей реализации активных локаторов, использующих широкополосные хаотические зондирующие сигналы. Существует, в частности, способ получения функции взаимной корреляции таких сигналов с помощью двойного спектрального преобразования их суммы. Описаны эксперименты, проведенные с радиолокатором, непрерывный сигнал которого в сантиметровом диапазоне имел полосу порядка октавы. Были продемонстрированы хорошие возможности определения координат и скорости лоцируемых целей. Такой способ локации реализуется только для относительно небольших расстояний до целей. В случае гидролокации работа происходит на относительно малых частотах, позволяющих проводить цифроаналоговые и аналогоцифровые преобразования сигнала. Поэтому формирование сигнала и вычисление функции корреляции можно производить на стандартной современной компьютерной технике. Численное моделирование различных типов гидролокаторов, подтвержденное экспериментами, показало высокую эффективность работы с широкополосными хаотическими сигналами.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, широкополосный хаотический сигнал, октавная
полоса частот, функция корреляции, оцифровка сигнала, двойное спектральное преобразование, микроволновый диапазон, акустический диапазон, численное моделирование гидролокаторов.
УДК 621.396.96 _______________________________________
1. ВВЕДЕНИЕ
Трудно выяснить — с чего началась активная локация. Ясно лишь, что с акустики. По-видимому, когда-то человек обнаружил, что время прихода эха зависит от расстояния до объекта, от которого отражается звук. Впрочем, летучие мыши, дельфины и другие морские млекопитающие успешно применяли активную акустическую локацию в воздушной и водной средах задолго до того, как человечество стало умнеть. Как отрасль техники
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение (3).
2. Основные особенности активной локации (5).
3. Зондирующие сигналы в активной локации (6).
4. Ближняя радиолокация с использованием двойной спектральной обработки зондирующих сигналов (8).
5. Возможности акустической широкополосной шумовой локации (12).
6. Заключение (14).
Литература (14).
РЕНСИТ | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 1
4 ЗАЛОГИН Н.Н., КАЛИНИН В.И., СКНАРЯ А.В.
СИГНАЛЫ В РАДИОЛОКАЦИИ
активная локация стала развиваться в первой половине 20-го века, тоже сначала как акустическая, а затем и как электромагнитная. Суть активной локации заключается в том, что создаётся и излучается в направлении исследуемого объекта (цели) некий сигнал, который отражается от цели и приходит к источнику с некоторым запаздыванием, определяемым расстоянием до цели и скоростью распространения сигнала в данной среде. Расстояние до цели определяется по запаздыванию момента возвращения отраженного сигнала относительно момента его излучения, а направление на цель как сдвиг во времени возвращения сигнала на два или более приёмные устройства. В физиологии это называется бинауральным эффектом. В технических же устройствах чаще используются направленные приёмные антенны.
Интенсивное развитие активная локация получила во время второй мировой войны и в послевоенные годы вплоть до настоящего времени. особенно развивалась и совершенствовалась радиолокация применительно к задачам противовоздушной, а затем и противоракетной обороны. В конце войны и в первые послевоенные годы были разработаны мощные передающие устройства (Р ~ 106 Вт и более в импульсе), высоконаправленные антенны, чувствительная приёмная аппаратура. Это обеспечило уверенное обнаружение и сопровождение воздушных целей на расстояниях в десятки, а иногда и сотни километров. Кроме измерения расстояния до цели, для решения задач ПВо необходимо было определять скорости целей, а также их высоту над поверхностью Земли. Выяснилось, что с помощью периодической последовательности коротких импульсов скорость цели по эффекту Доплера может быть определена лишь с использованием сигналов с высокой стабильностью частоты и взаимной когерентностью импульсов. Реально же для определения скорости использовался практически непрерывный зондирующий сигнал. Точное определение угла места цели осуществлялось также отдельным локатором, антенна которого обеспечивала лучшее разрешение в вертикальной плоскости. Была проведена большая работа по выбору сигналов, позволяющих в одном устройстве решить сразу несколько задач по определению параметров цели.
Активная акустическая локация развивалась преимущественно как гидролокация. Создавались устройства для определения глубины водоёмов и 1
своевременного обнаружения предметов в мутной воде, дабы избежать столкновений судна с этими предметами. Специфика гидролокации заключается в том, что акустические сигналы при распространении в водной среде обладают очень сильным затуханием, тем большим, чем выше частота зондирующего сигнала. В результате, активные гидролокаторы с хорошим разрешением по дальности и угловым координатам могли эффективно функционировать только на очень небольших расстояниях. Поскольку расположение источников звуковых сигналов легче определялось, чем координаты отражающих звуковые сигналы объектов, наибольшее внимание было уделено пассивной локации — обнаружению источников звуков и определению направления на эти источники. Научные исследования и разработки в области гидролокации были сосредоточены в основном в изучении особенностей распространения продольных акустических волн в неоднородной по многим параметрам среде и возможной компенсации этих особенностей с целью повышения разрешающей способности как активной, так и пассивной локации. В последние годы появились разработки активных локаторов, работающих в воздушной среде — устройств, облегчающих парковку автомобилей, например.
Распространение поперечных электромагнитных волн в атмосфере Земли не имеет столь сложных особенностей. Исключение составляет, пожалуй, лишь распространение волн с частотами в малые десятки МГц в слое между поверхностью Земли и плазмой ионосферы, а также миллиметровых волн в атмосфере с высокой влажностью. В дальней радиолокации зондирующие сигналы создаются на основе дециметровых и сантиметровых электромагнитных волн. В этих диапазонах можно пренебречь в первом приближении затуханием, дисперсией и другими факторами, и считать, что волны распространяются так же, как и в вакууме. В связи же с необходимостью существенного увеличения возможностей обнаружения малогабаритных целей на очень больших расстояниях, связанных с требованиями противоракетной обороны (ПРо), наибольшее внимание было уделено повышению мощности излучения зондирующих сигналов и вопросам выбора оптимальных зондирующих сигналов, совмещающих высокую энергетику и хорошую разрешающую способность по дальности. Поскольку радиолокации
1 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | РЕНСИТ
СИГНАЛЫ В РАДИОЛОКАЦИИ
АКТИВНАЯ ЛОКАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 5 ШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
в послевоенные годы уделялось гораздо больше финансовых и научных ресурсов, чем гидролокации, а разработками в этих отраслях техники занимались разные специалисты в режиме строгой секретности, радиолокация и гидролокация как бы разошлись на два независимых направления. Аишь в самое последнее время разработчики гидролокационных систем начали использовать сложные зондирующие сигналы, предложенные в радиолокации в 60-х годах прошлого века.
В настоящей работе будут изложены результаты исследований и разработок Института радиотехники и электроники имени академика В.А.Котельникова РАН (ИРЭ) в области изучения возможностей использования в активной локации широкополосных хаотических сигналов, оптимальных с теоретической точки зрения для этих целей.
2. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АКТИВНОЙ ЛОКАЦИИ
В данном разделе приводятся в целях напоминания общеизвестные сведения, которые можно найти в любом справочнике по радиолокации. Поэтому ссылки на первоисточники здесь отсутствуют.
Целью локационных измерений является определение координат и вектора скорости движения цели. Расстояние до цели R определяется по задержке сигнала At, распространяющегося от передатчика до цели и обратно R=0.5CAt. Скорость распространения электромагнитных волн - С —3108 м/сек (точнее 2.99 7 93-108 м/сек). Продольные акустические волны в воде распространяются со скоростью —1.5103 м/сек, т.е. примерно в двадцать тысяч раз медленнее. Скорость распространения волн связана с длиной волны X и частотой сигнала fпростым соотношением С = Xf. Поскольку разрешающая способность по дальности определяется длиной волны зондирующего сигнала, жестко связанной с его частотой, характерные рабочие частоты радиолокаторов находятся в районе 109-1010 Гц, в то время как для гидролокаторов характерны частоты порядка 103-106 Гц.
Угловые координаты — азимут ф и угол места 0 определяются положением оси антенного устройства при максимуме сигнала от цели.
Скорость (точнее радиальная составляющая скорости V — проекция на ось локаторцель) движения цели определяется обычно по
эффекту Доплера — смещению частоты F0 отраженного от движущейся цели сигнала на величину AF=2F0V/C. Очевидно, что малым радиальным скоростям целей соответствует малый доплеровский сдвиг частоты и, соответственно, значительное время для его оценки. Дополнительная информация о параметрах цели получается при наблюдении за изменением уровня принятого сигнала во времени и сопоставлении результатов приема сигналов с разными поляризациями (электромагнитные волны). Как правило, цель, имеющая размеры, существенно превосходящие длину волны зондирующего сигнала, имеют несколько центров наиболее интенсивного рассеяния (“блестящих точек”). Поэтому разработчики радиолокационных станций (РЛС) стремятся повысить их разрешающую способность по дальности — возможность различения конкретных отражающих (рассеивающих) центров на одном объекте или отдельных целей в группе.
Согласно теории волновых процессов, плотность потока мощности уменьшается при удалении от источника излучения как 1/R2. Такой же закон имеет место и для волн, рассеянных малогабаритными целями или блестящими точками крупных целей. В результате мы имеем для мощности Рт принимаемого активным локатором сигнала следующее соотношение:
л = л.■ с ^
2 \ 2
(4nR2)
(1)
Здесь Рutt — излучаемая мощность, G — коэффициент направленного действия излучающей антенны, о — эффективная поверхность рассеяния цели, А — эффективная площадь приёмной антенны и, наконец, R — расстояние локатор— цель. Данная зависимость приведена для случая отсутствия диссипативного затухания волн на трассе локатор-цель. Реально при распространении радиоволн миллиметрового диапазона и при распространении продольных акустических волн в водной среде имеет место затухание, зависящее от спектра частот зондирующего сигнала. В этом случае в правую часть (1) должен быть добавлен сомножитель exp(-2j3(w)R). Применительно к техническим устройствам потери сигнала принято измерять в децибелах (10lgP JP )). Дополнительные потери, обусловленные диссипативным затуханием, суммируются в этом случае с потерями, обусловленными рассеянием в
РЕНСИТ | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 1
6 ЗАЛОГИН Н.Н., КАЛИНИН В.И., СКНАРЯ А.В.
СИГНАЛЫ В РАДИОЛОКАЦИИ
виде — 8.68^(ш)К. Такие потери приводят к тому, что при конечных расстояниях до цели уровень сигнала снижается настолько, что теряется в собственных шумах приёмного устройства и окружающей среды. Критерием возможности обнаружения сигнала на фоне шумов различного происхождения является соотношение Q (сигнал/ шум), определяемое как
2
q
2 j Pd
т__
N
(2)
Здесь Р — мощность полезного сигнала на
in
входе приёмного устройства локатора, а N — спектральная плотность мощности шумов (СПМШ). Интегрирование проводится по времени посылки сигнала. В случае постоянства излучаемой мощности сигнала в течение посылки интеграл может быть заменен произведением принятой мощности на время посылки.
То есть речь идет не о мощности, а об энергии принимаемого сигнала, об интеграле мощности по времени. В идеальном случае, при отсутствии помех и шумов, вносимых усилителем, СПМШ определяется как N = кТд = 4 ■ 10-21 Вт/ Гц, т.е. температурой антенны. Применительно к обзорным РЛС обычно считается, что надежное обнаружение имеет место при q2>25.
В связи с приведенными оценками следует поставить вопрос о структуре зондирующих сигналов. Дело в том, что для обеспечения хорошей дальности обнаружения целей требуется большая энергетика сигнала, требующая больших значений мощности и длительности сигнальной посылки. С другой стороны, высокое разрешение по дальности при использовании простых импульсных сигналов требует по возможности минимальных значений длительности импульсов. Это противоречие можно разрешить лишь с помощью так называемых сложных сигналов — сигналов с непериодической внутриимпульсной модуляцией.
3. ЗОНДИРУЮЩИЕ СИГНАЛЫ В АКТИВНОЙ ЛОКАЦИИ
В докомпьютерную эпоху естественным представлялся зондирующий сигнал в виде короткого импульса или импульса с высокочастотным заполнением. При небольших расстояниях до целей излучалась периодическая последовательность таких импульсов с периодом, обеспечивающим
однозначность определения расстояния до цели. В случае высокой стабильности частоты импульсной последовательности реализовывалась возможность определения радиальной составляющей скорости цели по эффекту Доплера. Генерация и обработка таких сигналов осуществлялась аналоговыми способами практически без привлечения цифровой техники.
Близость целей и возможность работы с длительными последовательностями когерентных импульсов обеспечивали вполне удовлетворительную энергетику принимаемых сигналов даже при малых длительностях импульсов. Когда же перед разработчиками РЛС была поставлена задача существенного увеличения дальности действия при сохранении высокого разрешения по дальности, оказалось, что период повторения импульсов становится недопустимо большим и обработка сигналов в обзорных РЛС должна осуществляться не по последовательности импульсов, а по одному — двум импульсам. Потери зондирующего сигнала при распространении его до цели и обратно в сочетании со сказанным выше привели к тому, что даже существенного увеличения излучаемой мощности сигнала не хватало для уверенного обнаружения целей на заданных расстояниях.
Расчёты показывают, что одновременное выполнение требований к повышению дальности, точности и разрешающей способности РЛС, работающей с простым импульсным сигналом, приводят к тупиковой ситуации. Суть ее в том, что энергия импульса пропорциональна его длительности, а разрешающая способность определяется полосой частот AF ~ 1/т, т.е. обратной длительности импульса величиной. При простом же импульсном сигнале имеет место соотношение rZlF~1. Выход из этой ситуации был найден при использовании внутриимпульсной модуляции, позволяющей увеличить длительность сигнальной посылки при сохранении полосы. Самый простой и, возможно, исторически первый вариант — линейная частотная модуляция (ЛЧМ). Излучается сигнал большой длительности с частотой, изменяющейся по линейному закону. Попавший в приемное устройство сигнал проходит отрезок линии передачи с дисперсией (зависимостью фазовой скорости от частоты), подобранной таким образом, чтобы все парциальные частотные составляющие сигнала оказались бы в одной фазе. В результате происходит существенное сжатие
1 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | РЕНСИТ
СИГНАЛЫ В РАДИОЛОКАЦИИ
Рис. 1. ЛЧМ-сигнал и результат его сжатия в приёмном устройстве.
импульса во времени с возрастанием амплитуды. Пример исходного и сжатого импульсов показан на рис. 1. Первая осциллограмма соответствует исходному (излученному) импульсу. Вторая — импульсу, прошедшему линию с дисперсией. Как видно из рисунка, длительность основной части импульса уменьшилась, а амплитуда сигнала существенно возросла.
В середине 20-го века было предложено несколько вариантов сложных сигналов применительно к дальней радиолокации. Здесь и дискретная частотная модуляция и различные варианты дискретной фазовой модуляции. Основные трудности, связанные с переходом к сложным сигналам состоят в том, что необходима совместная корреляционная обработка излучённого и принятого сигналов или какая-либо процедура, аналогичная корреляционной обработке. При этом крайне желательно, чтобы автокорреляционная функция зондирующего сигнала была одномодальной, т.е. имела бы один ярко выраженный максимум. Выяснилось, что вычисление функции взаимной корреляции сигналов в диапазоне частот характерном для радиолокации, является практически неразрешимой задачей, как для аналоговых, так и для цифровых методов. Именно поэтому использовались различные методы аналогового сжатия сигнальных посылок с помощью различных типов линий задержки, дисперсионных, многоотводных и т.д. Теория сложных сигналов говорит о том, что разрешающая способность локации определяется величиной полосы частот AF, занимаемой сигналом. Произведение же B=AF^r,
АКТИВНАЯ ЛОКАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 7 ШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
определяющее энергетическую эффективность зондирующего сигнала, называют базой сигнала. База простого импульсного сигнала равна единице. Характерная база сложных сигналов, используемых в радиолокации, составляет величину порядка 102. В принципе же наиболее оптимальным для активной локации является так называемый «белый шум» - сигнал, имеющий неограниченные полосу и длительность, т.е. возможность неограниченного увеличения базы. Очевидно, что такой сигнал в силу конечной полосы пропускания реальных технических устройств и ограниченности времени наблюдения не реализуем. Тем не менее, современная техника позволяет генерировать и излучать широкополосные хаотические сигналы с высоким уровнем спектральной плотности мощности.
Графики автокорреляционных функций шумового сигнала при сужении полосы частот приведены на рис. 2.
Рисунок показывает, что при полосе в октаву и более корреляционная функция практически одномодальна.
Процедура цифрового вычисления функции взаимной корреляции излучённого локатором и отражённого от цели сигналов в настоящее время доступна в частотном диапазоне, ограниченным сотнями кГц (акустическая локация). В микроволновом диапазоне так называемая двойная спектральная обработка позволяет получить желаемый результат лишь для очень небольших временных сдвигов. Поэтому остановимся на возможностях использования широкополосных хаотических зондирующих сигналов именно в этих
Рис.2. Эволюция корреляционной функции широкополосного шума при сужении полосы.
РЕНСИТ | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 1
8 ЗАЛОГИН Н.Н., КАЛИНИН В.И., СКНАРЯ А.В.
областях, т.е. в акустической локации и в ближней радиолокации.
4. БЛИЖНЯЯ РАДИОЛОКАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВОЙНОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ЗОНДИРУЮЩИХ СИГНАЛОВ
В классической математической статистике существует теорема Винера—Хинчина [1], в которой доказывается, что функцию взаимной корреляции двух процессов можно получить при анализе спектра суммы этих процессов. На возможность использования двойной спектральной обработки шумовых сигналов применительно к радиолокации указал в 1968 году Пуарье [2]. В ИРЭ исследования в области ближней локации на шумовом сигнале начались в середине семидесятых годов прошлого века. Дело в том, что в ИРЭ в то время интенсивно развивались исследования и разработки в области генерации широкополосных шумовых сигналов с высокой спектральной плотностью мощности в микроволновом диапазоне. Были созданы генераторы шума на лампах с бегущей волной (ЛБВ) [3, 4, 5, 6], на лавинно-пролётных диодах (ЛПД) [7, 8], на СВЧ-транзисторах [9, 10] и других активных элементах микроволновой электроники. Более подробно литература по генерации и применению широкополосных хаотических колебаний дана в [11]. Разработки эти предназначались преимущественно для целей радиоэлектронной борьбы, но вполне могли стать источниками зондирующего сигнала применительно к ближней радиолокации. Шумовой характер колебаний в таких генераторах реализовывался за счёт сильных нелинейностей в автоколебательных системах с большим, но конечным числом степеней свободы. Воздействие дополнительных флуктуа-ционных шумов на такую, в общем-то, детерминированную систему приводило к тому, что строгое повторение реализации процесса при включении генератора с одинаковыми начальными условиями оказывалось невозможным. Поэтому эффективный анализ суммы излучённого и принятого сигналов имел место лишь в том случае, когда временной сдвиг оказывался существенно меньше длительности процесса, подлежащего обработке.
Измерение первого спектра, т.е. спектра суммы излучаемой и задержанной реализаций, осуществляется обычно с помощью панорамного супергетеродинного анализатора спектра с синхронно
СИГНАЛЫ В РАДИОЛОКАЦИИ
перестраиваемым преселектором во избежание появления «зеркалок» (последовательный анализ). Для того, чтобы оценка энергетического спектра была состоятельной, необходимо, чтобы полоса усилителя промежуточной частоты была связана со скоростью перестройки гетеродина соотношением Aj>idf/dt, т.е. время прохождения частотой гетеродина полосы фильтра должно быть больше, чем время отклика фильтра. Это требование накладывает известные ограничения на диапазон дальности локатора, в особенности при работе с подвижными целями. Действительно, при больших расстояниях локатор-цель для разрешения генеральной изрезанности спектра требуется узкополосный фильтр с большим временем отклика. В результате время обзора увеличивается и становится таким, что цель за это время существенно смещается, и измерения становятся некорректными. Последовательный анализ неудобен также тем, что время анализа определяется временем перестройки гетеродина, а время накопления сигнала — временем отклика фильтра. Физически не исключается параллельный анализ спектра, например, квазиоптическим методом, однако, никаких сообщений об этом в литературе не отмечено. Разрешающая способность призм и дифракционных решеток в сантиметровом диапазоне пока еще невысока.
Первый эксперимент, проведенный в ИРЭ в середине 70-х годов прошлого века авторами настоящей работы Н.Н. Залогиным и В.И. Калининым, состоял в определении расстояния до соседнего строения, находившегося в нескольких десятках метров от окон лаборатории, где был развёрнут макет локатора. В качестве источника зондирующего сигнала был использован шумотрон на двух ЛБВ УВ-34, обеспечивший генерацию шума в 10см диапазоне с полосой —1000 МГц и интегральной мощностью порядка 40 мВт. Передающая и приёмная антенны П6-23 располагались на подоконнике окна, обращённого к соседнему зданию. В качестве анализатора первичного спектра суммы излучаемого и принимаемого сигналов использовался прибор АСШ-3. На экране анализатора была видна чёткая периодическая изрезан-ность спектра шумового сигнала. Период изрезан-ности был измерен с помощью генератора меток анализатора спектра. Он составил величину, соответствующую расстоянию до цели примерно 40 м. Непосредственные измерения расстояния между
1 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | РЕНСИТ
СИГНАЛЫ В РАДИОЛОКАЦИИ
АКТИВНАЯ ЛОКАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 9 ШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
стенами зданий, проведенные с помощью обычной рулетки, подтвердили правильность радиолокационных измерений.
В восьмидесятые годы, с появлением панорамных анализаторов спектра на сверхвысоких частотах и цифровых низкочастотных анализаторов спектра появилась возможность проведения более широких экспериментальных исследований в области радиолокации на широкополосном шумовом зондирующим сигнале. В частности была проведена экспериментальная оценка разрешения по дальности. В качестве целей использовались металлические цилиндры диаметром 30 см (50-литровые баллоны для сжиженного газа). Цилиндры находились на расстоянии порядка 10 м от антенной системы локатора в метре друг от друга. Суммирование сигналов производилось путём просачивания излучаемого сигнала с передающей на приёмную антенну. Вторичный спектр, показанный на рис. 3, говорит о том, что цели отлично разрешаются. При этом в непосредственной близости от начала координат возникает отметка, соответствующая расстоянию между цилиндрами.
Этот макет локатора был использован и как радиовысотомер. При направлении антенной системы с высоты порядка 10 м перпендикулярно земной поверхности на экране второго анализатора спектра была получена картинка, показанная на рис. 4. Асимметрия отметки цели говорит о наличии рассеяния круговым участком поверхности диаметром порядка 2 м.
Попытка подповерхностных измерений, проведенная с помощью закапывания уголкового отражателя на глубину порядка 0.5 м, показала, что в 10 см диапазоне какая-либо прозрачность грун-
4
t то
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
расстояние в метрах
Рис. 3. Результат двойной спектральной обработки при локации двух близкорасположенных целей.
Рис. 4. Отметка высоты. Асимметрия характеризует
ширину освещённого пятна.
та отсутствует. Следует, видимо, работать на существенно более низких частотах.
Описанный выше макет радиовысотомера был использован также для дистанционных измерений высоты морских волн. Измерения проводились на платформе Черноморского отделения Морского гидрофизического института вблизи посёлка Кацивели (южный берег Крыма). Выяснилось, что гребни и особенно впадины волн обладают существенно лучшей направленностью обратного рассеяния. Поэтому на анализаторе спектра низких частот были чётко видны максимумы, соответствующие расстояниям между локатором и гребнями и впадинами, помогающие оценить высоту волн [12, 13].
В процессе экспериментов выяснилось, что при работе с движущимися целями периодическая структура максимумов и минимумов спектральной плотности мощности суммы излучённого и принятого шумовых сигналов движется по шкале частот. Направление движения определяется направлением вектора скорости цели. При последовательном анализе первичного спектра в зависимости от направления перестройки гетеродина отметка цели смещалась в разные стороны от отметки неподвижной цели. По разнице отметок в низкочастотном спектре удавалось с приличной точностью определить радиальную составляющую скорости цели. Чувствительность смещения спектра к движению цели была так велика, что удавалось определить частоту дыхания человека, стоящего в луче локатора.
Радиолокация с импульсными зондирующими сигналами и совмещенными передающей и приемной антеннами оперирует понятием «мертвая зона». В момент излучения мощного
РЕНСИТ | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 1
10 ЗАЛОГИН Н.Н., КАЛИНИН В.И., СКНАРЯ А.В.
зондирующего импульса приемное устройство РЛС должно быть надежно защищено от выгорания с помощью ферритовых циркуляторов и разрядников. Естественно, блокированный приемник не может получить никаких данных о целях находящихся на расстоянии L < Ст . В РлС, работающих со сложными зондирующими сигналами большой длительности, мертвая зона (расстояние L) может достигать многих километров. Принцип построения РЛС, излучающих и одновременно принимающих непрерывный широкополосный шумовой зондирующий сигнал, должен быть существенно другим. Необходимо использовать две антенные системы — одна для передачи, а другая для приема сигнала. При этом развязка между антеннами должна соответствовать примерно затуханию сигнала при распространении до цели и обратно. В этом случае величина “мёртвой зоны” может быть оценена как длина корреляции Lmpp ~ С/ AF. Т.е. применительно к широкополосным шумовым РЛС таким понятием можно пренебречь. Естественно речь в данном случае идет о ближней радиолокации, когда расстояние до цели не превышает 10 км. Суть в том, что паразитный сигнал проходит не только непосредственно из передающей антенны в приемную по боковым лепесткам, но и отразившись от местных рассеивающих объектов.
Вид функции корреляции широкополосного шумового сигнала позволяет, в принципе, реализовать высокую разрешающую способность при определении угловых координат цели. Применительно к узкополосным сигналам разрешающая способность по угловым координатам определяется апертурой (поперечными размерами) приемной антенны. Грубая, оценочная формула Лф ~ 50X/L показывает, что для формирования луча с угловым размером Лф(град) в одной из плоскостей потребуется поперечный размер антенны в этой плоскости L (м) для средней длины волны \(м). К примеру в 10—см диапазоне длин волн для получения луча размером в 10 ширина антенны должна быть равна 5 метрам. Для широкополосного шума в том же диапазоне тоже разрешение можно реализовать, разместив две малогабаритные приемные антенны на расстоянии 5 метров друг от друга, подав на сумматор принятые сигналы и проведя ДСО полученной суммы с целью определения временного сдвига принимаемых сигналов. Этот метод известен как
СИГНАЛЫ В РАДИОЛОКАЦИИ
интерферометрия с большой базой (расстоянием между приемными антеннами) и широко применяется в радиоастрономии для повышения точности пеленгации внеземных источников радиоизлучения. При этом для увеличения базы приемные антенны располагают в максимально удаленных друг от друга точках земной поверхности, а иногда и на спутниках Земли. Посмотрим на простейшей модели, как это делается. На рис. 5 схематически показаны две приемные антенны, сумматор и устройство, осуществляющее ДСО. Предполагается, что объект пеленгации находится на расстоянии достаточном для того, чтобы приходящий от него фазовый фронт радиоволны считать плоским. Необходимо определить угол ф между нормалью к прямой А1-А2 и направлением на излучающий объект. Излучающий объект может иметь как собственное излучение («маячок»), так и рассеивать направленное на него внешнее излучение («подсвет цели»). Угол ф определяется как arcsin(AL/B). Здесь ЛЛ — запаздывание сигнала между антеннами, а В — расстояние между приемными антеннами А1 и А2 (база). Вспомнив, что производная арксинуса
d(arcsin(х)) _ 1
dx Vl - х2 ’
получим выражение для оценки точности определения угловых координат при пеленгации источника широкополосного шумового сигнала с применением ДСО
Рис. 5. Схема высокоточной пеленгации с использованием ДСО широкополосного шумового сигнала.
1 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | РЕНСИТ
СИГНАЛЫ В РАДИОЛОКАЦИИ
АКТИВНАЯ ЛОКАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 11 ШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Аф =
(3)
(угол измеряется в радианах).
Поскольку в начале раздела о радиолокации на широкополосном шумовом зондирующем сигнале мы выяснили, что точность измерения AL оценивается как 8AL ~ 0,1C/AF, можно написать выражение для абсолютной точности измерения угловых координат, учитывая, что AL/B « 1, как 180°
= 0,1C / AFB
я (4)
(угол измеряется в градусах).
Если вернуться к примеру с антенной размером в 5 метров, обеспечивающей разрешение порядка 10, то для данной системы значение В=5 м обеспечит разрешение порядка 0.30, если работать с сигналом AF ~ 1ГГц. Сигнал с полосой AF ~ 3ГГц при той же базе обеспечит разрешение уже ~ 0.10. На расстоянии до излучающего объекта в 100 м эта точность будет соответствовать 0.17 м. На километровом расстоянии — 1.7 м. Применительно к шумовой локации методика уточнения угловых координат цели с помощью интерферометра была предложена в [14].
Приведенные оценки показывают, что использование в радиолокации широкополосного шумового сигнала позволяет существенно увеличить точность определения координат целей, приближая ее к точности приборов оптического диапазона. Преимущество высокоточной пеленгации с помощью ДСО шумового сигнала при двухпозиционном приеме состоит в том, что такая процедура не требует суммирования принятых на разнесенные антенны сигналов с излучаемым сигналом. В результате из-резанность первичного спектра имеет крупный масштаб, что облегчает и ускоряет процесс определения AL. Недостаток такого метода пеленгации состоит в неоднозначности измерений. Величина AL определяется с помощью ДСО без учета знака. Отсюда не определен и знак угла направления на цель к перпендикуляру, проведенному к середине базы. Для устранения этой неоднозначности можно установить третью приемную антенну, что придаст измерениям однозначность и еще большую точность.
Ограничения радиолокации с двойной спектральной обработкой сигнала заключаются в основном в значительном времени последовательного
спектрального анализа при больших удалениях целей. Период изрезанности первичного спектра оценивается как 8F=C/2R. Для получения более или менее точной информации о первичном спектре нужно, чтобы полоса фильтра была порядка 1/4 периода изрезанности. Максимальная скорость изменения частоты гетеродина должна быть такой, чтобы полоса фильтра проходилась примерно за время отклика фильтра. Это значит, что время оценки первичного спектра при полосе зондирующего шумового сигнала AF МГц и задании расстояния R в метрах должно быть не менее 64-R2 AF /С сек. Реально же для достоверной оценки спектральной плотности шума при последовательном анализе спектра скорость перестройки гетеродина должна быть на порядок меньше. На рис. 6 приведена зависимость времени перестройки гетеродина, необходимого для оценки изрезан-ности спектра шумового сигнала полосой 1000 МГц, от расстояния до цели.
Из рисунка видно, что на расстояниях более 100 м реально можно работать только с практически неподвижными целями.
Тем не менее, учитывая возможности, описанные выше, можно уверенно говорить о хороших перспективах широкополосной шумовой локации с двойной спектральной обработкой зондирующего сигнала [15].
5. ВОЗМОЖНОСТИ АКУСТИЧЕСКОЙ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ШУМОВОЙ ЛОКАЦИИ
Скорость распространения продольных акустических волн в водной среде составляет
расстояния до цели при полосе шума 1000 МГц.
РЕНСИТ | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 1
12 ЗАЛОГИН Н.Н., КАЛИНИН В.И., СКНАРЯ А.В.
величину —1500 м/сек. В воздухе звук распространяется ещё медленнее (~340 м/сек). Это значит, что высокое разрешение по дальности, определяемое длиной волны зондирующего сигнала, можно получить работая с частотами в десятки — малые сотни килогерц. На таких частотах все трудности цифровых методов формирования, задержки и обработки широкополосных хаотических снимаются. Как показывает сравнительное моделирование прямой корреляционной и двойной спектральной обработки широкополосного шумового сигнала, прямая корреляционная обработка оказывается по уровню соотношения сигнал/шум примерно в 4 раза эффективнее ДСО [16].
Трудности, возникающие при разработке гидролокаторов, работающих с широкополосным шумовым сигналом, заключаются в основном в отсутствии эффективных устройств, преобразующих электрические колебания в продольные акустические волны в воде в ультразвуковом диапазоне. Тем не менее, можно утверждать, что серьёзные физические причины, обуславливающие невозможность создания таких преобразователей, отсутствуют. Можно надеяться, что в ближайшие годы будут созданы эффективные излучатели, аналогичные многооктавным колонкам звукового диапазона. К сожалению, сильнейшее затухание продольных акустических волн в водной среде, увеличивающееся с ростом частоты, делает невозможным создание локаторов высокого разрешения по дальности, работающих по целям, удалённым более чем на километр.
Поскольку максимальное разрешение по дальности в активной локации при работе с широкополосным шумовым зондирующим сигналом оценивается как четверть минимальной длины волны, можно принять, что при верхней граничной частоте 15 кГц (А, — 0,1 м) разрешение
по дальности будет составлять единицы сантиметров. Учитывая зависимость затухания акустических волн в водной среде, следует создавать гидролокаторы с повышенной дальностью действия именно в звуковом, а не ультразвуковом диапазоне. При этом в качестве излучателей могут быть использованы традиционные для этого диапазона электромагнитные преобразователи электрических сигналов в звуковые. Возможность работы с разнесёнными приёмными антеннами, аналогично описанным выше применительно к шумовой радиолокации методам увеличения разрешающей
СИГНАЛЫ В РАДИОЛОКАЦИИ
способности по угловым координатам, позволяет существенно улучшить характеристики гидролокатора без резкого увеличения размеров излучающих и приёмных систем.
Существенно облегчить и удешевить разработку современных гидролокаторов позволит использование стандартных компьютеров и стандартного программного обеспечения к ним. Действительно, для формирования и обработки зондирующих сигналов в диапазоне десятки-сотни кГц вовсе не обязательно создавать специализированные процессоры. Можно воспользоваться также стандартными цифроаналоговыми и аналоговоцифровыми преобразователями. Существует много систем математических расчётов, содержащих комплекс программ, необходимых для моделирования различных процессов и работы различных устройств. Среди таких систем выделяется система MATLAB (МАТричная ЛАБоратория). Для облегчения работы с этой системой существует обширная литература [17-19], позволяющая достаточно быстро составить комплекс программ, обеспечивающих формирование и обработку любых сигналов, используемых для активной акустической локации.
В качестве примера рассмотрим процедуру формирования широкополосного хаотического сигнала. В системе MATLAB существует программа X=randn(1,N). В этом случае формируется последовательность из N отсчётов с нулевым средним, нормальным (гауссовым) распределением вероятностей и единичной дисперсией. Пример 100 отсчётов такой последовательности показан на рис. 7.
Приведенные варианты последовательностей можно трактовать как результаты оцифровки по
Рис. 7. 100 отсчётов последовательности randn(1,100)
1 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | РЕНСИТ
СИГНАЛЫ В РАДИОЛОКАЦИИ
АКТИВНАЯ ЛОКАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 13 ШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Котельникову-Найквисту хаотических аналоговых сигналов со спектром в диапазоне от 0 до некоторой верхней граничной частоты f. Для того, чтобы имитировать формирование таких сигналов в октавной полосе f/2fj, необходимо произвести процедуру фильтрации. Для больших массивов целесообразно воспользоваться БПФ — быстрым преобразованием Фурье. Исходная последовательность подвергается процедуре FFT (Fast Fourier transform). Далее проводится обрезание низкочастотной части спектра и восстановление последовательности с помощью функции IFFT (Inverse fast: Fourier transform - обратное преобразование Фурье). Специфика процедуры БПФ в системе МАТЛАБ состоит в непривычной записи получившегося спектра. Спектр, содержащий составляющие сигнала на положительных и отрицательных частотах записывается на частотной шкале 0 - f — (f) — 0. Исходя из такой записи, фильтр прямоугольной формы для выделения верхней октавы применительно к последовательности из N членов должен выглядеть как [zeros( 1,0.25*N) ones(1,0.5*N) zeros(1,0.25*N)]. Функция zeros(1,Ы) задает М нулей, а функция ones(1,M) — М единиц. В результате получаем реализации, показанные на рис. 8.
Для временного согласования полученной последовательности с ЦАП — цифроаналоговым преобразователем необходимо провести так называемые интерполяционные преобразования. Суть преобразований состоит в том, что между каждой парой отсчётов исходной реализации вставляется по определенному закону n промежуточных отсчётов. В нашем случае удобно использовать ку-
Рис. 8. Широкополосная [0 f] и в полосе верхней октавы последовательности.
Y, X, ’cubic’) строит интерполирующую кривую для одномерной последовательности Y, заданной на сетке X, последовательность Y, заданную на более мелкой сетке X. Преобразованная таким образом последовательность подаётся на ЦАП и излучается в виде продольных акустических волн в водную среду.
С помощью интерполяционных преобразований можно также имитировать доплеровский сдвиг в реализациях широкополосного хаотического сигнала.
Пришедший от цели и принятый приёмным устройством сигнал преобразуется из акустического в электрический и с помощью микрофона и АЦП и становится последовательностью дискретных отсчётов с тактовой частотой, соответствующей излучённому сигналу. Очевидно, что для ускорения процедуры вычисления функции взаимной корреляции копия излучённого сигнала должна быть представлена с задержкой, соответствующей примерно времени прохождения сигнала до цели и обратно. Следует учитывать также, что время, необходимое для вычисления функции взаимной корреляции излучённого и принятого сигналов сильно зависит от количества отсчётов в обрабатываемых реализациях. С другой стороны, неопределённость времени прихода сигнала от цели при дискретизации по Котельникову может вызвать ошибки. Поэтому для наиболее быстрой оценки расстояния от локатора до цели следует работать с реализациями с 2-3 раза более подробными, чем с реализациями, оцифрованными по Котельникову [20].
В настоящее время в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН (Московская часть) совместно с ОАО «НИИП» (г.Жуковский) проводятся работы по математическому моделированию и созданию экспериментальных образцов гидроакустических систем различного назначения с использованием сложных, в том числе широкополосных хаотических сигналов [21, 22].
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Подводя итоги проведенным математическому моделированию и экспериментальным исследованиям, можно утверждать, что использование широкополосных хаотических сигналов весьма перспективно применительно к активной локации, как радио-, так и акустической. Спецификой локации на широкополосном хаотическом сигнале
РЕНСИТ | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 1
14 ЗАЛОГИН Н.Н., КАЛИНИН В.И., СКНАРЯ А.В.
СИГНАЛЫ В РАДИОЛОКАЦИИ
является необходимость оценки расстояния до цели с помощью вычисления функции взаимной корреляции между реализациями излучённого и принятого сигналов. Современная цифровая вычислительная техника позволяет проводить такие вычисления применительно к сигналам, используемым в акустической локации. В ближней радиолокации микроволнового диапазона для получения функции взаимной корреляции используется метод двойной спектральной обработки. Первичный спектр суммы сравниваемых реализаций определяется в этом случае аналоговым способом. Вторичный же цифровым. Преимуществом длительных широкополосных хаотических сигналов является их высокая энергетика, также возможность одновременного и точного определения координат целей, в том числе угловых, и радиальных составляющих скоростей этих целей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тихонов ВИ. Статистическая радиотехника. М., Радио и связь, 1982, 624 с.
2. Poirier JL. Quasi-monochromatic scattering and some possible radar applications. Radio Science, 1968, 3(9):881-886.
3. Мясин ЕА, Кислов ВЯ, Богданов ЭВ. Способ генерирования электромагнитных шумовых колебаний: Авт.свидетельство № 1125735, опубл. 23.11.84г. Бюлл. № 43 с приоритетом от 22.06.67 г.
4. Кислов ВЯ, Залогин НН, Мясин ЕА. Исследование
стохастических автоколебательных режимов в автогенераторах с запаздыванием. Радиотехника и электроника, 1979, 24(6):1118.
5. Кислов ВЯ, Залогин НН, Мясин ЕА. о нелинейной стохастизации автоколебаний в электронно-волновом генераторе с задержанной обратной связью. Радиотехника и электроника, 1980, 25(10):2160.
6. Калинин ВИ, Залогин НН, Кислов ВЯ. Нелинейный резонанс и стохастичность в автоколебательной системе с запаздыванием. Радиотехника и электроника, 1983, 28(10):2001.
7. Беляев РВ, Жерновенков АС, Залогин НН, Мельников АИ. Экспериментальные исследования возбуждения шумовых колебаний в генераторах на лавинно-пролётных диодах. Радиотехника и электроника, 1996, 41(12):1484-1489.
8. Мясин ЕА, Котов ВД, Андреев ЮВ. Широкополосные диодные генераторы шума миллиметрового диапазона волн в ИРЭ РАН. Труды всерос. конф. «Сверхширокополосные сигналы в
радиолокации, связи и акустике». Муром, МИ ВлТУ, 2003, с. 542.
9. Максимов НА, Кислов ВЯ. Об одной закономерности перехода от детерминированной динамики к хаосу в автоколебательной системе. Пис-ша вЖТФ, 1983, 9(16):979.
10. Максимов НА, Панас АИ. Широкополосные и сверхширокополосные генераторы хаотических колебаний с управляемой полосой спектра мощности. Труды всерос. конф. «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике». Муром, МИ ВлТУ, 2003, с. 566.
11. Залогин НН, Кислов ВВ. Широкополосные хаотические сигналы в радиотехнических и информационных системах. М., Радиотехника, 2006, 208 с.
12. Залогин НН, Калинкевич АА, Кириллин КА, Кислов ВЯ. О возможности измерения расстояния до шероховатой поверхности методом спектрального анализа непрерывного шумового сигнала. Радиотехника и электроника, 1990, 35(3):548-555.
13. Aksenov V, Zalogin N, Kirillin K. On a Possibility of Range Measuring from a Rough Surface by Means of the Spectral Analysis of Quasi-Monochromatic Signal. Proc. Intern.Conf. ‘Radar 87”. London, 1987.
14. Архипов ЛИ. Использование шумовых и шушоподобных сигналов в системах ближней радиолокации. М., Изд. ЦНИИ научно-технической информации и технико-экономических исследований, 1975, 167 c.
15. Залогин НН, Калинин ВИ, Мясин ЕА и др. Широкополосная и сверхширокополосная шумовая радиолокация. Труды всерос. конф. «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике». Муром, МИ ВлТУ, 2003, с. 560.
16. Залогин НН, Калинкевич АА, Кириллин КЛ. Расчет соотношения сигнал/шум для радиолокационной станции, работающей по методу двойного спектрального анализа шумового сигнала. Радиотехника и электроника, 1993, 38(2):278.
17. Потёмкин ВТ. Система MATLAB. М., Диалог-МИФИ, 1997, 350 с.
18. Рудаков ПИ, Сафонов ВИ. Обработка сигналов и изображений. MATLAB 5x. М., Диалог-МИФИ, 2000, 416 с.
19. Алексеев ЕР, Чеснокова ОВ. MATLAB 7. М., NT Press, 2006, 464 с.
20. Залогин НН, Скнаря АВ. К вопросу об экономичной оцифровке аналоговых сложных сигналов. Радиотехника и электроника, 2008, 53(10):1307.
21. Залогин НН, Колесов ВВ, Скнаря АВ.
1 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | РЕНСИТ
СИГНАЛЫ В РАДИОЛОКАЦИИ
АКТИВНАЯ ЛОКАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 15 ШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Сложные сигналы для акустического мониторинга, гидролокации и подводной акустической связи. Труды 4 междунар. научно-практич. конф. ’’Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности”. СПб, 2007, с. 234.
22. Залогин НН, Скнаря АВ. Использование эффекта Доплера в современной гидролокации. Труды 14 междунар. научно-технич. конф. «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж, САКВОЕЕ, 2008, с.134.
Залогин Николай Николаевич,
к.т.н, в.н.с. ИРЭ им. ВА. Котельникова РАН 125009 Москва, ул. Моховая, 11, корп. 7, к. 219, тел. +7 495 629 3368, [email protected]
Калинин Валерий Иванович,
к.ф.-м.н, с.н.с. ФИРЭ им. ВА. Котельникова РАН, 141120 г. Фрязино, Моск. обл., пл. Введенского, 1, тел. +7 496 526 9217, [email protected]
Скнаря Анатолий Васильевич
к.ф.-м.н., с.н.с. НИИП им. В.В. Тихомирова,
140180 г. Жуковский, Моск. обл., ул. Гагарина, 3, тел. +7 496 565 2414, [email protected]
РЕНСИТ | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 1
16
SIGNALS IN RADIOLOCATION
THE ACTIVE LOCATION WITH THE USE OF ULTRAWIDE-BAND CHAOTIC SIGNALS
Zalogin N.N.
Kotel’nikov Institute of Radio-Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences,
Mokhovaya str., 11, b. 7, 125009 Moscow, Russian Federation [email protected]
Kalinin v.I.
Kotel’nikov Institute of Radio-Engineering and Electronics, Fryazino Branch, Russian Academy of Sciences,
Vvedensky sq., 1, 141120 Fryazino, Moscow region, Russian Federation
sknarya A.V.
Tikhomirov Scientific-Research Institute of Instrument,
Gagarina str., 3, 140180 Zhukovsky, Moscow region, Russian Federation
As is known, the optimal probing signal for active sensing (both radio and acoustic) is the so called white noise, i.e. ultrawide-band chaotic signal with normal (Gaussian) probability distribution, infinite in time and frequency domains. This signal enables simultaneous and precise evaluation of distance to target and its speed. The use of spaced miniature receiver antennas and interferometric methods allows us to considerably increase the precision of azimuthal and elevation measurements of located targets. Indeed, such signals are impractical. however, long chaotic signals with frequency bandwidth of the order of octave (f /f = 2) ensure necessary precision and unambiguity of the measurements. A characteristic feature of such signals is laborious processing: mutual correlation of emitted and received signals is calculated. In microwave band, typical of radiolocation, digital methods are inapplicable because of signal quantization difficulties, and analog methods — because of impossibility to provide signal delays of the time to target and back. The present paper is devoted to investigation of certain ways of implementation of active locators using wideband chaotic probe signals. In particular, there is a method for calculating mutual correlation of such signals using double spectral transform of the signal sum. Experiments with a radar are described, with near octave-bandwidth continuous centimeter-band signal. Good capabilities of determining coordinates and speed of the located targets are demonstrated. Such location method can be implemented only for relatively small target distances. In underwater echo sounders (sonars), relatively low frequencies are used, which allows digital-to-analog and analog-to-digital signal transforms. Therefore, signal forming and correlation function calculation can be made on contemporary standard computers. Simulation of various underwater sonars, confirmed by physical experiments, demonstrates high efficiency of the use of wideband chaotic signals.
Keywords: remote sensing, wideband chaotic signal, octave band, correlation function, digitizing the signal, double spectral transform, microwave range, acoustic range, numerical simulation of sonar
UDC 621.396.96
Bibliography - 22 references Received 25.04.2011
RENSIT, 2011, 3(1):3-17__________________________
REFERENCES
1. Tikhonov VI. Statisticheskaya radiotekhnika [Statistical Radio-Engineering]. Moscow, Radio i svyaz' Publ.,
1982, 624 p.
2. Poirier JL. Radio Science, 1968, 3(9):881-886.
3. Myasin EA, Kislov VYa, Bogdanov EV. Patent RU №
1125735, publ. 23.11.1984, prior. 22.06.1967 (in Russ.)
4. Kislov VYa, Zalogin NN, Myasin EA. Radiotekhnika i elektronika, 1979, 24(6):1118 (in Russ.).
5. Kislov VYa, Zalogin NN, Myasin EA. Radiotekhnika i
elektronika, 1980, 25(10):2160 (in Russ.).
6. Kalinin VI, Zalogin NN, Kislov VYa. Radiotekhnika i elektronika, 1983, 28(10):2001 (in Russ.).
7. Belyaev RV, Zhernovenkov AS, Zalogin NN, Mel'nikov AI. Radiotekhnika i elektronika, 1996, 41(12):1484-1489 (in Russ.).
8. Myasin EA, Kotov VD, Andreev YuV. Tr. Vseross. Konf . «Sverkhshirokopolosnye signaly v radiolokatsii, svyasi i akustike» [Proc. of All-Rus. Conf. «Ultra-wideband
1 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | РЕНСИТ
SIGNALS IN RADIOLOCATION
THE ACTIVE LOCATION WITH THE USE 17 OF BROADBAND-BAND CHAOTIC SIGNALS
signals in radar, communication and acoustics»]. Murom, MI VlSU Publ., 2003, p. 542.
9. Maksimov NA, Kislov VYa. Pis'ma v JTF, 1983, 9(16):979 (in Russ.).
10. Maksimov NA, Panas AI. Tr. Vseross. Konf. «Sverkhshirokopolosnye signaly v radiolokatsii, svyasi i akustike» [Proc. of All-Rus. Conf. «Ultra-wideband signals in radar, communication and acoustics»]. Murom, MI VlSU Publ., 2003, p. 432.
11. Zalogin NN, Kislov VV. Shirokopolosnye khaoticheskie signaly v radiotekhnicheskikh i informatsionnykh sistemakh [Broadband Chaotic Signals in Radio Engineering and Information Systems]. Moscow, Radiotekhnika Publ.,
2006, 208 p.
12. Zalogin NN, Kalinkevich AA, Kirillin KA, Kislov
VYa. Radiotekhnika i elektronika, 1990, 35(3):548-555 (in Russ.).
13. Aksenov V Zalogin N, Kirillin K. Proc. Intern. Conf. ‘Radar 87”. London, 1987, p. 156.
14. Arkhipov LI. Ispol'govanie shumovykh i shumopodobnykh signalov v sistemakh blighney radiolokatsii [The use of noise and noise-type signals in the systems of the near-radar], Moscow, TSNII ITEI Publ., 1975, 167 p.
15. Zalogin NN, Kalinin VI, Myasin EA et al. Tr. Vseross. Konf, «Sverkhshirokopolosnye signaly v radiolokatsii, svyasi i akustike» [Proc. of All-Rus. Conf. «Ultra-wideband signals in radar, communication and acoustics»]. Murom, MI VlSU Publ., 2003, p. 411.
16. Zalogin NN, Kalinkevich AA, Kirillin KL. Radiotekhnika i elektronika, 1993, 38(2):278 (in Russ.).
17. Potemkin VG. SistemaMATLAB [MATLAB system]. Moscow, Dialog-MIFI Publ., 1997, 350 p.
18. Rudakov PI, Safonov VI. Obrabotka signalov i igobragheniy. MATLAB 5.x [Processing of signals and images. MATLAB 5.x]. Moscow, Dialog-MIFI Publ., 2000, 416 p.
19. Alekseev EP, Chesnokova OV. MATLAB 7. Moscow, NT Press, 2006, 464 p. (in Russ.).
20. Zalogin NN, Sknarya AV. Radiotekhnika i elektronika, 2008, 53(10):1307 (in Russ.).
21. Zalogin NN, Kolesov VV, Sknarya AV. Tr. 4 Meghd. Konf. «Issledovanie, ragrabotka i primenenie vysokikh tekhnologiy v promyshlennosti» [Proc. 4th Intern. Conf. «Research, development and application of high technologies in industry»]. St.Petersburg, 2007, p. 234.
22. Zalogin NN, Sknarya AV. Tr. 14 Meghd. Konf. «Radiolokatsiya, navigatsya i siyaf» [Proc. 14th Intern. Conf. «Radiolocation, navigation, communication»]. Voronezh, SAKVOEE, 2008, p. 47.
РЕНСИТ | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 1
