CC BY
20
https://doi.org/10.38013/2542-0542-2022-3-41-47 УДК 621.396.96
Исследование сигнала в виде пачки когерентных импульсов с нерегулярной структурой
А. В. Зайцев, А. А. Разин
Акционерное общество «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В. В. Тихомирова», Жуковский, Российская Федерация
Предложен способ синтеза сигнала с кнопочной функцией неопределенности с малым уровнем боковых лепестков. Исследована автокорреляционная и взаимно-корреляционная функции методом математического моделирования в среде MatLab с учетом бланкирования сигнала, когда прием осуществляется только во время отсутствия передачи.
Ключевые слова: сложные сигналы, ЛЧМ, квазинепрерывный сигнал, функция неопределенности, однозначное измерение дальности, перестройка параметров сигнала, MatLab
Для цитирования: Зайцев А. В., Разин А. А. Исследование сигнала в виде пачки когерентных импульсов с нерегулярной структурой // Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей». 2022. № 3. С. 41-47. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2022-3-41-47
For citation: Zaytsev A. V., Razin A. A. Investigation of signal in the form of a coherent pulse train with irregular pulse structure // Vestnik Koncerna VKO "Almaz - Antey". 2022. No. 3. P. 41-47. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2022-3-41-47
Поступила 17.12.2021 Отрецензирована 03.02.2022 Одобрена 19.05.2022 Опубликована 24.06.2022
Одним из недостатков применения квазинепрерывных сигналов с регулярной структурой импульсов является ограниченный диапазон однозначного измерения дальности и доплеровской частоты. Для устранения неоднозначности измерений дальности и доплеровской частоты и исключения «слепых» зон необходимо в различных циклах зондирования варьировать параметры излучения сигналов [1-3].
В [4] изложен принцип построения РЛС с перестройкой несущей частоты. Недостатком является большое время измерения координат целей и низкая точность измерения частоты Доплера. Недостатком предложенного способа построения РЛС в [5] является большое время обзора пространства из-за необходимости излучения трех пар пачек импульсных сигналов для получения однозначного измерения скорости цели.
© Зайцев А. В., Разин А. А., 2022
Синтез сигналов с одновременным варьированием длительности и девиации частоты импульсов с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) по псевдослучайным законам позволяет однозначно измерить дальность и скорость цели за время накопления, равное длительности пачки.
В данной работе приведен пример формирования сложного сигнала с «кнопочной» функцией неопределенности. Проведено исследование сохранения свойств сигнала при различных значениях задержки и доплеровского —
га
сдвига принятого сигнала. Исследование было |
проведено в среде Ма1ЬаЬ. $
Рассмотрим сигнал в виде пачки неэк- °
видистантных когерентных импульсов с пере- ^
стройкой девиации частоты импульсного и
сигнала с ЛЧМ и с одновременным варьиро- |
ванием длительности импульсов. Импульсные а-
сигналы во временной области имеют следу- |
ющий вид: ^
Ui (tj) = cos [(2п L + St x j) x tj]
yj'
TH^Cbi-D^Er + ti,
см см о см
<
1
(0 TO
2
О ü CQ
Q.
<D
О
о
<D CQ
CM ■Clio 9
CM ■Clio
CM
w w
tj = 0---тмг , i = 1...N,
(1)
(2)
где/н/ - нижняя частота /-го ЛЧМ импульса, = 2пД/ / тИ/ - крутизна ЛЧМ /-го импульса, А/ - девиация частоты /-го ЛЧМ импульса, ^ -временные отсчеты с тактовой частотой АЦП, ] - номер отсчета, тИ. - длительность /-го ЛЧМ импульса, / - номер импульса, N - количество импульсов в пачке.
Для формирования /-го ЛЧМ импульса нижняя частота /н выбирается из некоторой частотной последовательности {/1, /2, ..., /N1 в соответствии с символом кодовой последовательности ап = {аь а2, ..., ад,}. С помощью последовательности Ьп = {Ьь Ь2, ..., Ьд,} определяется последовательность длительностей импульсов из некоторого набора {тИр тИ2, ..., тИN} для формирования пачки.
Последовательности натуральных чисел ап и Ьп должны быть выбраны специальным образом так, чтобы двумерная функция неопределенности синтезированного сигнала имела характерный кнопочный вид с минимальным уровнем боковых лепестков (УБЛ)
[6]. При этом атт = Ьтп = 1 и атах = Ьтах = N.
Широкое распространение получили последовательности Костаса, последовательности, которые формируются с помощью алгоритмов Уэлча - Костаса, Такешито - Костелло и др. [7].
Последовательности ап и Ьп могут меняться от пачки к пачке.
Длительность /-го импульса тИ/ рассчитывается по формуле:
A/i
es
s
и л f g. Af
a Afj+i
л К н о н о й
A/N
~UAfj+1 — Afj — const
j j+1 Номер девиации
N
где t1 и t2 - минимальная и максимальная длительности импульсов соответственно, N - количество импульсов в пачке, b - i-й элемент последовательности bn, i - порядковый номер зондирующего импульса в пачке. Интервалы излучения Тп. между i и i+1 импульсами в пачке рассчитываются по формуле:
Тп = Ти.. х б, (3)
где Q - скважность.
Для сохранения кнопочной структуры функции неопределенности выбираются не эквидистантные частоты ЛЧМ-импульсов и неравные значения частотных девиаций импульсов А/ Для минимизации УБЛ импульсные сигналы в частотной области не должны пересекаться, при этом необходимо использование всей полосы рабочих частот, т. е.:
Af ф Af для Vi, k = 1...N(i ф k)
N
(4)
i=1
где AF - полоса рабочих частот.
Исходная частотная последовательность, из которой выбираются нижние частоты ЛЧМ импульсов в соответствии с кодовой последовательностью an, определяется следующим образом. Для определенности пусть в исходном наборе частотных девиаций {A/i, A/2, •••, AfN} значения уменьшаются линейно, т. е. Af]+i - Af = const для j = i. .N-i (рис. i). Тогда исходный набор значений девиаций задается следующей формулой:
2 (Af-Л
Afj =
(AF-N-AfN) + AfN, (5)
Рис. 1. Исходный набор частотных девиаций
N{N-1)
где А/у является минимальным значением девиации. При этом А^ < АР / N.
Тогда исходная частотная последовательность определяется как
(6)
] = 1, 2,., N /1 = /ср - АР / 2,
где /ср - среднее значение несущей частоты всей пачки.
Для формирования /-го ЛЧМ импульса нижние частоты/н. выбираются из частотной
0
1
последовательности, рассчитанной по формуле (6), в соответствии с символом кодовой последовательности ап = (аь а2, ..., аМ}, т. е.:
•^Н(г) f(ai)'
(7)
Верхние частоты /в. рассчитываются по формуле:
/в(0 = Ун(1) + Д/(аг)- (8)
На рисунке 2 приведены исходная и выбранная частотные последовательности.
На рисунке 3 приведен процесс выбора частотной девиации и длительностей импульсов с использованием двух кодовых последовательностей.
При моделировании ЗС с нерегулярной структурой в среде Ма1ЬаЬ выбор
последовательностей натуральных чисел ап и Ьп производился с помощью библиотечной функции «Randperm» для создания случайных целых чисел с нормальным распределением.
На рисунках 4-6 представлена функция неопределенности предложенного типа ЗС с полосой рабочих частот А/ = 100 МГц и длительностью пачки Гпачки = 10 мс с одним из заданных наборов начальных условий (М, /2,
ат Ьт /ср).
Для предложенного типа ЗС с заданными параметрами максимальный уровень боковых лепестков составил —13 дБ. Разрешающая способность при этом составила:
--88 Гц по частоте Доплера
- ~1,5 м по дальности.
Исходная частотная последовательность
Частоты ЛЧМ импульсов
Кодовая последовательность а = Ц, а2, ..., ан}
' \
✓ ✓ г / / / / ' / /
/ / / / / / / / / /
----/ , / /
/ / . / /
1 j N + 1
Номер частоты
1
N
Номер импульса
Рис. 2. Исходная и выбранная частотные последовательности
Исходный набор частотных девиаций
Af Д2 Af Af AfN-i AfN
Исходный набор длительностей импульсов Тпачки/р
7и1
ТИ2 Тиз ТИ4 THN-i Thn
fi
f ff ff ff
О
fN-1 fN fN+1
О
Кодовая последовательность an = {a1, a2, ..., aN}
Кодовая последовательность bn = {b1, b2, ..., bN}
Тпачки
Тпь, Тпб2 "ТпЪч
THbi Tüfc Th6n
4 к . . . fa N f N
X <D
4
TO Q.
(3
О Q.
Ё <D
(4
Рис. 3. Процесс выбора частотной девиации и длительностей импульсов
t
0,8 _
0,6 „
см см о см
1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
Рис. 4. Функция неопределенности
АКФ во временной области АКФ во временной области
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
лалл^А-чЛМ Ч/Л^Ал^ллли
-1 -0,5 0 0,5
Задержка по времени, с
1
х 10-5
-0,5 0 0,5 1
Задержка по времени, с х 10-6
< I
со га
г |
о ^
со
о.
<и
о
о <и со
см ■ч-
ю =?
см ■ч-ю см
(П (П
1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
аб Рис. 5. Сечение функции неопределенности при Ед = 0: а - диапазон тзад = (-10.10) мкс; б - диапазон тзад = (-1.1) мкс
АКФ во частотной области
-0,5 0 0,5
Частота Доплера, Гц
1
X 105
1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
-1,5
АКФ во частотной области
1 1
А140
-1 -0,5 0 0,5 Частота Доплера, Гц
аб Рис. 6. Сечение функции неопределенности при тзад = 0: а - диапазон Ед = (-100.100) кГц; б - диапазон Ед = (-15.15) кГц
1 1,5
х 104
Излучаемый сигнал
0
Отраженный сигнал
Принятый сигнал
0,96
0,92
0,88
0,84
50
1 i г 1 1 1 1 1 i ti i T пат жи
Í->1 т зад
Рис. 7. Бланкирование принятого сигнала -11,4
100 150
Дальность, км
200 250
-11,8
-12,2
-12,6
Рис. 8. Отношение уровней главного лепестка ВКФ к АКФ
50 100 150 200 250
Дальность, км
Рис. 9. Максимальный УБЛ
Было проведено исследование взаимно-корреляционной функции (ВКФ) образа с принятым сигналом на разных дальностях и частотах Доплера с учетом бланкирования, когда прием сигнала осуществлялся только во время отсутствия передачи. В интервалах передачи массив принятого сигнала заполнялся нулями (рис. 7). Набор начальных условий для формирования ЗС не изменился.
На рисунках 8 и 9 представлены результаты численного моделирования: графики максимального УБЛ ВКФ и графики соотношения уровня главного лепестка ВКФ к уровню главного лепестка автокорреляционной функции на разных дальностях Б и частотах Доплера цели РД:
Б = 1.. .220 км с шагом 500 м; Рд = [0, 5, 10, 13] кГц. Для предложенного типа ЗС с заданными параметрами максимальный уровень боковых
лепестков ВКФ составил -11,46 дБ. Значения УБЛ слабо зависят от частот Доплера при заданных условиях, поэтому на рисунках 8 и 9 представлены результаты для Fд = 5 кГц.
УБЛ допустим при малых отражениях от местных предметов - для обнаружения воздушных целей. Уменьшение УБЛ возможно при помощи перебора последовательностей ап и Ьп. Для снижения влияния отражений от подстилающей поверхности возможно применение алгоритмов селекции движущихся целей.
Выводы
Был исследован сигнал в виде пачки когерентных импульсов с одновременной перестройкой длительности импульсов и девиации частоты по псевдослучайным законам. Функция неопределенности такого сигнала имеет кнопочную структуру.
та
X Ф
ч
та 0-
та
О
О.
£
V
ц
(Ч
1
0
0
Использование предложенного типа зондирующего сигнала в РЛС класса «поверхность-воздух» и «воздух-воздух» позволит получать однозначные измерения дальности и скорости за время, равное длительности одной пачки. Одновременная перестройка параметров сигнала повышает помехоустойчивость РЛС за счет сложности определения структуры зондирующих сигналов.
Список литературы
1. Калениченко С. П., Кутузов В. М. Повышение скрытности радиолокационных станций // ^N^2001, 7-я межд. конф. - Воронеж, 2001. - Т. 1. С. 345-357.
2. Гантмахер В. Е., Быстров Н. Е., Чеботарев Д. В. Шумоподобные сигналы. Анализ, синтез, обработка // СПб.: Наука и Техника, 2005. - 400 с.
3. Зайцев А. В., Разин А. А. Исследование частотного метода измерения дальности с использованием пачечного ЛЧМ-сигнала // Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей», № 4, 2019. С. 50-53.
4. Радиолокационная система с перестройкой несущей частоты и режимом СДЦ, RU2245562 C2, опубл. 27.01.2005, МПК G01S 13/58.
5. Майоров Д. А., Ильясафов А. Д. Принципы построения радиолокационных станций с перестройкой несущей частоты // Радиостроение. 2019. № 02. С. 16-22.
6. Чапурский В. В. Избранные задачи теории сверхширокополосных радиолокационных систем // М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016, 280 с.
7. Golomb, S. W., and Taylor, H. Construction and properties of Costas arrays // Proc. of the IEEE, Vol. 72, No. 9, pp. 1143-1163, Sept. 1984.
Об авторах
Зайцев Алексей Вячеславович - инженер акционерного общества «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В. В. Тихомирова», Жуковский, Российская Федерация.
Область научных интересов: радиолокационные системы, вторичная обработка радиолокационной информации.
Разин Анатолий Анатольевич - кандидат технических наук, начальник лаборатории акционерного общества «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В. В. Тихомирова», Жуковский, Российская Федерация.
Область научных интересов: радиолокационные системы, вторичная обработка радиолокационной информации.
< I
со та
s
о со
о.
ф
о
о ф
со
см ■ci-io
9 см ■ci-
10 см
(П (П
Investigation of signal in the form of a coherent pulse train with irregular pulse structure
Zaytsev A.V., Razin A.A.
V. V. Tikhomirov Scientific Research Institute of Instrument Engineering, Joint Stock Company, Zhukovsky, Russian Federation
The paper proposes a technique for synthesising a signal with switchboard uncertainty function with low side lobe level. The investigation focuses on the autocorrelation and cross-correlation functions, employing the method of mathematical modelling in the MatLab environment with consideration of signal blanking, when reception only occurs in the absence of transmission.
Keywords: complex signals, chirp pulses (signals), quasi-continuous signal, uncertainty function, unambiguous range measurement, signal parameters adjustment, MatLab
Information about the authors
Zaytsev Aleksey Vyacheslavovich - Engineer, V. V. Tikhomirov Scientific Research Institute of Instrument Engineering, Joint Stock Company, Zhukovsky, Russian Federation.
Science research interests: radar systems, secondary processing of radar information.
Razin Anatoliy Anatolievich - Candidate of Engineering Sciences, Head of Laboratory, V. V. Tikhomirov Scientific Research Institute of Instrument Engineering, Joint Stock Company, Zhukovsky, Russian Federation. Science research interests: radar systems, secondary processing of radar information.
