CC BY
80
Телекомунікації, радіолокація, радіонавігація та електроакустика
УДК 621.396.62: 621.396.96
ДО ПИТАННЯ ЦИФРОВОЇ ОБРОБКИ В КОГЕРЕНТНІЙ ІМПУЛЬСНО - ДОПЛЕРІВСЬКІЙ РАДІОЛОКАЦІЙНІЙ СТАНЦІЇ, ЩО ВИПРОМІНЮЄ ІМПУЛЬСНИЙ СКЛАДНИЙ ЗОНДУВАЛЬНИЙ
СИГНАЛ З КНОПКОВОЮ ДІАГРАМОЮ НЕВИЗНАЧЕНОСТІ
Мрачковський О. Д., к.т.н., доцент; Реутська Ю. Ю., асистент
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Київ, Україна
THE QUESTION OF THE DIGITAL PROCESSING IN THE COHERENT PULSE DOPPLER RADAR WHICH RADIATES THE PULSE COMPLICATED PROBING SIGNAL WITH A BUTTON TYPE AMBIGUITY DIAGRAM
Mrachkovskyi O. D., Cand. Of Sci (Technics), senior lecturer; Reutska Yu. Yu., assistant
National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine
Вступ
Загальновідомі переваги використання імпульсних складних сигналів в радіолокації [1]. До них безумовно слід віднести підвищену завадостійкість на фоні природних та організованих місцевих завад, підвищення роздільної здатності за дальністю та радіальною складовою швидкості (допле-рівською частотою), підвищену точність оцінки дальності та швидкості цілі, що виявляється, можливість ефективної роботи в умовах багатопро-меневого поширення сигналів.
Окрім добре відомих переваг імпульсні складні сигнали мають підвищені скритності (часову, енергетичну та структурну) [2].
Часова скритність забезпечується скороченням довжини зондувального сигналу, а також зміною моменту часу його випромінювання. Енергетична скритність забезпечується за рахунок великого виграшу в вихідному співвідношенні сигнал/завада на фоні білого шуму, що дорівнює квадратному кореню з бази сигналу. Це дозволяє працювати в так званому режимі «тихої радіолокації» за рахунок можливого виявлення сигналів з вхідним співвідношенням сигнал/завада, меншим за одиницю. Структурна скритність характеризується здатністю протистояти ймовірному розвіднику (заходам, що направлені на розпізнавання форми сигналу та вимірювання його параметрів), згідно умови, що сигнал вже виявлений розвідувальними засобами.
До класу складних енергетично скритних імпульсних сигналів слід віднести сигнали, в яких внутрішньоімпульсна частотна модуляція (ЧМ) виконується за трикутним [3], трапецеїдальним [4], квадратичним та кубічним законами. Характерно, що діаграма невизначеності (ДН) цих сигналів
84
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Телекомунікації, радіолокація, радіонавігація та електроакустика
має «кнопкоподібну» форму, що дозволяє реалізувати сумісну та незалежну оцінку дальності та швидкості цілі. Недоліками вищеназваних сигналів є низька структурна скритність, що полягає в тім, що ЧМ модуляція може легко розпізнатися ймовірним розвідником [5].
До класу складних сигналів з високою структурною скритністю слід віднести сигнали з внутрішньоімпульсною фазовою маніпуляцією з псевдо-випадковими послідовностями (ПВП) [6] або спорідненими їм послідовностями [7], які також мають «кнопкоподібну» ДН. Кнопкова ДН реалізує найбільшу потенційну роздільну здатність за дальністю, що дорівнює 1/W , де W — ширина смуги сигналу, та найбільшу потенційну роздільну здатність за радіальною складовою швидкості, що дорівнює 1/ , де ті — довжина зондувального сигналу (рис.1).
Сигнали з «кнопковою» ДН доцільні для використання в когерентних імпульсно - доплерівських РЛС. Структура трактів виявлення таких РЛС багатоканальна за числом доплерівських каналів, утворюючи доплерівську гребінку узгоджених фільтрів або кореляторів, повторюючи власне структуру паралельного аналізатора спектра [8].
Вибір вигляду зондувальних сигналів завжди становив певні труднощі для конструктора РЛС. Річ в тому, що з моменту появи складних зондувальних сигналів число їх безперервно збільшувалося. Класифікація їх проводилася за видом закону модуляції (маніпуляції), що використовується. Упорядкувати різноманітність сингалів довелося за виглядом ДН, що реалізується [9]. Було відмічено, що для імпульсних зондувальних сигналів на сьогоднішній день відомі чотири види ДН: еліпсоїдна, похила еліпсоїдна, X - подібна та кнопкоподібна.
Постановка задачі
Оскільки розташування доплерівських каналів на частотній осі представляє певні технічні труднощі, в даній роботі нам належить:
1. Провести порівняльну оцінку потенційних роздільних здатностей за дальністю та радіальною швидкістю для вивчення сигналів, що мають кнопкову ДН.
2. Розробити рекомендації для визначення числа доплерівських каналів.
Мета статті — оцінити складність реалізації багатоканальних трактів виявлення сигналу відбиття у вигляді багатоканального за доплерівською частотою тракту з використанням узгоджених фільтрів або кореляторів.
Аналіз потенційних характеристик складних сигналів
Раніше нами були проаналізовані потенційні роздільні здатності вищевказаних сигналів [3,4] за дальністю та допплерівською частотою, що виміряні на різних рівнях відліку (0,9; 0,707; 0,5) від максимуму кореляційної функції. Узагальнимо отримані дані та приведемо їх в табличній формі, що зручна для порівняння.
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» 85
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Телекомунікації, радіолокація, радіонавігація та електроакустика
Порівняльна оцінка потенційних роздільних здатностей за дальністю та радіальною складовою швидкості для вищевказаних сигналів приведена в табл. 1. Можна бачити, що потенційні роздільні здатності за радіальною складовою швидкості складних зондувальних сигналів усіх проаналізованих видів приблизно однакова. Тому перевагами сигналів у вигляді ПВП над іншими проаналізованими складними сигналами є тільки висока інформаційна скритність та менший рівень бокових викидів [6].
Таблиця
Потенційна роздільна здатність за дальністю та радіальною швидкістю_
Вид зондувального сигналу Потенційна роздільна здатність за дальністю Потенційна роздільна здатність за радіальною швидкістю
Рівні від максимума Рівні від максимума
0,9 0,707 0,5 0,9 0,707 0,5
Сигнал з симетричною лінійною частотною модуляцією (СЛЧМ) 0,5 W 0,92 W 1,25 W 0,5 Ъ 0,88 Ъ 12 Ъ
Сигнал з трапецеїдальною частотною модуляцією (ТЧМ) 0,46 W 0,79 W 1,08 W 0,5 Ъ 0,88 Ъ 12 Ъ
Сигнал з квадратичною частотною модуляцією (ТРЧМ) 0,5 W 0,88 W 1,25 W 0,5 Ъ 0,88 Ъ 12 Ъ
Сигнал з кубічою частотною модуляцією (КВЧМ) 0,54 W 0,96 W 15 W 0,5 Ъ 0,88 Ъ 12 Ъ
Псевдовипадковий сигнал (ПВС) 0,5 W 0,88 W 1,2 W 0,5 Ъ 0,88 Ъ 12 Ъ
Число допплерівських каналів в тракті виявлення РЛС визначається:
1. максимальною швидкістю цілі , що виявляється (
2V
fd max = -—f0, де fd max — максимальна доплерівська частота Vmax — c
максимальна швидкість цілі, /0 — робоча частота);
2. прийнятим рівнем відліку від максимуму кореляційної функції, тобто рівнями відліку: 0.9, 0.707 та 0.5;
3. потенційною роздільною здатністю за доплерівською частотою, що залежить від рівня відліку.
Розташування доплерівських каналів на частотній осі у разі відсутності «сліпих» швидкостей приведено на рис.1а, а у разі присутності «сліпих» швидкостей — на рис. 1 б.
86
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Телекомунікації, радіолокація, радіонавігація та електроакустика
Рис.1. Розташування доплерівських каналів на частотній осі (а — з відсутністю «сліпих» швидкостей, б — з присутністю «сліпих» швидкостей)
Число доплерівських каналів багатоканального вимірювача доплерів-ської частоти відбитого сигналу визначається непарним цілочисленим значенням частки від ділення діапазону доплерівських частот 2 fd max на потенційну роздільну здатність зондувального сигналу за швидкістю
2fd ma
n
1/Т
2fd
Т.
max ^ і
Тракт оптимальної обробки на фоні білого шуму відбитого сигналу з невідомою амплітудою та фазою може бути реалізований за допомогою квадратурного узгодженого фільтру, що інваріантний до часу приходу відбитого сигналу, або за допомогою квадратурного корелятора, що інваріантний до зміни вигляду зондувального сигналу.
Структурна схема багатоканального за доплерівською частотою узгодженого фільтру для сигналу з невідомою амплітудою та фазою на фоні білого шуму представлена на рис.2, де в кожний доплерівський канал перед пороговим пристроєм введений так званий /лфільтр для зменшення рівня бокових викидів псевдовипадкових сигналів [10].
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
87
Телекомунікації, радіолокація, радіонавігація та електроакустика
Рис. 2. Структурна схема квадратурної обробки ПВС сигналу за допомогою узгоджених фільтрів (Зм — змішувач, СЧ — синтезатор частоти, р = Я /2 — фазообертач, СФ — смуго-
вий фільтр, АЦП — аналогово - цифровий перетворювач, ЦУФ — цифровий узгоджений фільтр, (+)2 — квадратичний суматор, Р — обчислювач квадратного кореня, [лфільтр — фільтр бокових викидів, ПП — пороговий пристрій, max — схема відбору за
максимумом)
Структурна схема багатоканального за доплерівською частотою коре-лятора з фільтрами зменшення бокових викидів для сигналу з невідомою амплітудою та фазою на фоні білого шуму представлена на рис.3.
Рис. 3. Структурна схема квадратурної обробки ПВС сигналу за допомогою цифрових кореля-торів (Зм — змішувач, СЧ — синтезатор частоти, р = Я /2 — фазообертач, СФ — смуговий фільтр, АЦП — аналогово - цифровий перетворювач, Гзстдк — генератор ПВС сигналу та до-пплерівських копій, Deltic (delay line time compressor) — рециркулятор зі зворотним зв’язком,
X — перемножувач, J — інтегратор, (+)2 — квадратичний суматор, — обчислювач
квадратного кореня, рфільтр — фільтр бокових викидів, ПП — пороговий пристрій, max —
схема відбору за максимумом)
88
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Телекомунікації, радіолокація, радіонавігація та електроакустика
Результат аналізу структурних схем свідчить про те, що реалізація багатоканального за доплерівською частотою квадратурного корелятора технічно більш складна, особливо за рахунок наявності в цьому тракті складного блока формування зондувального сигналу з паралельними виходами так званих доплерівських копій, число яких дорівнює числу доплерівських каналів в тракті обробки відбитого сигналу.
Висновки
1. Число доплерівських каналів в тракті виявлення РЛС визначається максимальною швидкістю цілі, рівнем відліку від максимуму кореляційної функції та потенційною роздільною здатностю за швидкістю зондувального сигналу, що використовується.
2. Використання будь-якого з видів розглянутих складних сигналів забезпечує однакове число каналів обробки.
3. Використання імпульсного сигналу у вигляді ПВП забезпечує часову, енергетичну і структурну скритність РЛС.
Література
1. Баскаков А. И. Зондирующие радиолокационые сигналы: учебное пособие /
A. И. Баскаков, Т. С. Жутяева, Ю. И. Лукашенко. — М. : Издательский дом МЭИ, 2011.
— 56 с., — Режим доступа: 2819 . — ISBN 978-5-383-00659-7, УДК 621.391.82: 621.396 Б273
2. Захарченко Н. В. Оценка информационной скрытности таймерных сигнальных конструкций в системах передачи конфиденциальной информации/ Н. В. Захарченко,
B. В. Корчинский, Б. К. Радзимовский // Збірник наукових праць ОНАЗ ім.О.С.Попова.
— 2011. — № 1. — С. 3—8. — УДК 691.321.25
3. Мрачковський О. Д. Аналіз спектральних та кореляційних характеристик зондуючого сигналу із трикутною внутрішньоімпульсною частотною модуляцією /
О. Д Мрачковський., Ю. Ю. Реутська, В. С. Соловйов // Вісник НТУУ «КПІ», серія «Радіотехніка, радіоапаратобудування». — 2012. — № 48. — С. 56—60, — УДК 621.396.62: 621.396.96
4. Мрачковський О. Д. Аналіз зондуючого сигналу із трапецеїдальною внутрішньо-імпульсною частотною модуляцією / О. Д Мрачковський., Ю. Ю. Реутська, В. С. Соловйов // Вісник НТУУ «КПІ», серія «Радіотехніка, радіоапаратобудування». — 2012. — № 49. — С. 66—70. — УДК 621.396.62
5. Мельников Ю.П. Радиотехническая разведка. Методы оценки эффективности местоопределения источников радиоизлучения / Ю. П. Мельников, С. В. Попов — М. : «Радиотехника», 2008. — 430 с. — УДК 621. 396.969
6. Бичков В. Е. Дослідження потенційних характеристик псевдошумового радіолокаційного сигналу в області сильної і слабкої кореляції / В. Е. Бичков, О. Д. Мрачковський, І. В. Ольшевський // Вісник НТУУ «КПІ», серія «Радіотехніка, радіоапаратобудування». — 2007. — № 34. — С. 37—42. — УДК 621.396.96
7. Борисов В. И., Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов / В. И. Борисов, В. М. Зинчук, А. Е. Лимарев — М. : «Радио и связь», 2003. — 640с. — ISBN - 5 - 256 - 01672 - 5
8. Цифровые анализаторы спектра / [Плотников В. Н., Белинский А. В., Суханов В. А., Жигулевцев Ю. Н.] — М. : «Радио и связь», 1990. — 182 с. — УДК 621. 396.969
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» 89
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Телекомунікації, радіолокація, радіонавігація та електроакустика
9. Мрачковський О. Д. Классификация импульсных зондирующих сигналов по виду диаграммы неопределенности / О. Д. Мрачковський // Вісник НТУУ «КПІ», серія «Радіотехніка, радіоапаратобудування». — 2009. — № 39. — C. 40—46. — УДК 621.396.62
10. Бичков В. Е. Фільтри зменшення бічних пелюстків / В. Е. Бичков // Вісник НТУУ «КПІ», серія «Радіотехніка, радіоапаратобудування». — 2010. — №41. —
C. 43—46. — УДК 621.396.96
References
1. Baskakov A. I., Zhutiaeva T. S., Lukashenko Yu. I. Zondiruiushchie radiolokatsionye signaly: uchebnoe posobie. M. : Izdatelskii dom MEI, 2011, 56 p., - Rezhim dostupa : 2819. - ISBN 978-5-383-00659-7, UDK 621.396 Z-84
2. Zakharchenko N. V., Korchinskii V. V., Radzimovskii B. K. Otsenka informatsionnoi skrytnosti taimernykh signalnyh konstrukcii v sistemakh peredachi konfidentsialnoi informatsii. Zbrinyk naukovykh prats ONAZ rn.O.S.Popova, 2011, № 1, pp. 3-8, UDK 691.321.25
3. Mrachkovskyi O. D., Reutska Yu. Yu., Soloviov V .S. Analiz spektralnyx ta korelsaciinykh kharakterystyk zonduiuchogo syhnalu iz trykutnoiu vnutrishnoimpulsnoiu chastotnoiu moduliaciieiu. Visnyk NTUU «KPI», seriia «Radiotekhnika, radioaparatobuduvannia», №48, 2012, pp. 56-60, UDK 621.396.62: 621.396.96
4. Mrachkovskyi O. D., Reutska Yu. Yu., Soloviov V. S. Analiz zonduiuchogo syhnalu iz trapeceiidalnoiu vnutrishnoimpulsnoiu chastotnoiu moduliaciieiu. Visnyk NTUU «KPI», seriia «Radiotekhnika, radioaparatobuduvannia», №49, 2012, pp. 66-70, UDK 621.396.62
5. Melnikov Yu. P., Popov S. V. Radiotekhnicheskaia razvedka. Metody otsenki effektivnosti mestoopredeleniia istochnikov radioizlucheniia. M. : «Radiotekhnika», 2008. -430 p., UDK 621. 396.969
6. Bychkov V. E., Mrachkovsky O. D., Olshevskyi I. V. Doslidzhennia potenciinykh kharakterystyk psevdoshumovoho radiolokatsiinogo syhnalu v oblasti sylnoi i slabkoi kore-liatsii. Visnyk NTUU «KPI», seriia «Radiotekhnika, radioaparatobuduvannia», №34, 2007, pp. 37-42, UDK 621.396.96
7. Borisov V. I., Zinchuk V. M., Limarev A. E. Pomehozashchishchennost sistem radi-osviazi s rasshireniem spektra signalov. M. : «Radio i sviaz», 2003, 640p., ISBN-5-25601672-5
8. Plotnikov V. N., Belinskii A. V., Suhanov V. A., Zhigulevtsev Yu. N. Tsifrovye analizatory spektra. M. : «Radio i sviaz», 1990, 182 p., UDK 621. 396.969
9. Mrachkovskyi O. D. Klassifikatsiia impulsnyh zondiruiushchikh signalov po vidu
diagrammy neopredelennosti. Vіsnyk NTUU «KPI», seriia «Radiotekhnika,
radioaparatobuduvannia», №39, 2009, pp. 40-46, UDK 621.396.62
10. Bychkov V.E. Filtry zmenshennia bichnyx peliustkiv. Visnyk NTUU «KPI», seriia «Radiotekhnika, radioaparatobuduvannia», №41, 2010, pp. 43-46, UDK 621.396.96
Мрачковський О. Д., Реутська Ю. Ю. До питання цифрової обробки в когерентній імпульсно — доплерівській радіолокаційній станції, що випромінює імпульсний складний зондувальний сигнал з кнопковою діаграмою невизначеності. Проаналізовано потенційні роздільні здатності за дальністю та радіальною швидкістю імпульсних складних сигналів із симетричною лінійною частотною модуляцією, трикутною, трапецеїдальною, квадратичною, кубічною частотною модуляцією та псевдовипадко-вих сигналів. Зроблені висновки щодо переваг відповідних складних сигналів з кнопкопо-дібною діаграмою невизначеності. Розроблено рекомендації для визначення числа до-плерівських каналів. Оцінено складність реалізації багатоканальних трактів виявлення сигналу відбиття у вигляді багатоканального за доплерівською частотою тракту на базі узгоджених фільтрів або кореляторів з наданням відповідних структурних схем.
Ключові слова: частотна модуляція, функція невизначеності, узгоджений фільтр, корелятор, доплерівська частота.
90
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Телекомунікації, радіолокація, радіонавігація та електроакустика
Мрачковский О. Д., Реутская Ю. Ю. К вопросу цифровой обработки в когерентной импульсно — доплеровской радиолокационной стации, излучающей импульсный сложный зондирующий сигнал с кнопочной диаграммой неопределенности. Проанализированы потенциальные разрешающие способности по дальности и радиальной скорости импульсних сложных сигналов с симметричной линейной частотной модуляцией, треугольной, трапецеидальной, квадратичной, кубической частотной модуляцией и псевдослучайных сигналов. Сделаны выводы относительно преимуществ соответствующих сложных сигналов с кнопочной диаграммой неопределенности. Разработаны рекомендации для определения числа доплеровских каналов. Оценена сложность реализации многоканальных трактов обнаружения отраженного сигнала в виде многоканального по доплеровской частоте тракта на базе согласованных фильтров или корреляторов с предоставлением соответствующих структурных схем.
Ключевые слова: частотная модуляция, функция неопределенности, согласованный фильтр, коррелятор, доплеровская частота.
Mrachkovskyi O. D., Reutska Yu. Yu. The question of the digital processing in the coherent pulse doppler radar which radiates the pulse complicated probing signal with a button type ambiguity diagram.
Introduction: The advantages of the pulse complicated signals using in the radar are well-known. These signals are signals with the high time security, the high power security or (and) the high structural security. The signal with the symmetrical linear frequency modulation, the signal with the triangular frequency modulation, the signal with the trapezoidal frequency modulation, the signal with the quadratic and with the cubic frequency intramodulation and the signal with pseudorandom sequence have the button ambiguity function.
Problem statement: It is necessary:
• To conduct the comparative estimation of the distance resolution and the range rate resolution (Doppler resolution) for signals with the button type ambiguity diagram;
• To develop recommendations for determination of the Doppler channels number;
Purpose of the article: To estimate the complication of the multichannel locations highways realization of echo signal as the multichannel Doppler-beat frequency highway on the base of matched filters or correlators.
The analysis of complicated signals potential characteristics: Potential characteristics of the distance resolution and the range rate resolution for the signal with the symmetrical linear frequency modulation, the signal with the triangular frequency modulation, the signal with the trapezoidal frequency modulation, the signal with the quadratic and with the cubic frequency intra-modulation and the signal with pseudorandom sequence are analyzed. Conclusions to advantages of these pulse complicated signals with the button ambiguity function are drawn. Recommendations for determination of the Doppler channels number are developed. The complication of the multichannel locations highways realization of echo signal as the multichannel Doppler-beat frequency highway on the base of matched filters or correlators is estimated.
The block diagrams analysis result testifies that the realization of the multichannel Dop-pler-beat frequency correlator is technically more difficult. In this scheme there is the difficult block with the formation of a probing signal with parallel releases of the so-called Doppler copies.
Conclusions: The number of the Doppler channels in the radar locations highway determined by maximum target velocity by the falling possible level of the noise immunity and of the distance resolution and the range rate resolution of probing signal that is used. The use of the considered complicated signals any types provides the identical number of processing channels. The use of the signal with pseudorandom sequence supports the high time security, the high power security and the high structural security.
Keywords: frequency modulation, ambiguity function, matchedfilter, correlator, Doppler frequency.
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» 91
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
