Компьютерные модели адаптивных систем пространственно-временной обработки флуктуирующего сигнала на фоне коррелированных помех Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Доклады БГУИР

2012 № 5 (67)

УДК 621.396.1.001.24

КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ФЛУКТУИРУЮЩЕГО СИГНАЛА НА ФОНЕ КОРРЕЛИРОВАННЫХ ПОМЕХ

Ю.В. ГРИДНЕВ, В.А. ПАЛЬЦЕВ

Физико-технический институт НАН Беларуси Купревича, 10, Минск, 220141, Беларусь

Военная академия Республики Беларусь пр. Независимости, 220, Минск, 220057, Беларусь

Поступила в редакцию 16 мая 2012

Построены и проанализированы компьютерные модели пространственно-временных автокомпенсатора и автокогерентного накопителя в программе МАТЪДВ^ШиЬГЫК.

Ключевые слова: пространственно-временной фильтр, компьютерная модель.

Введение

В РЛС с большой апертурой система междупериодной и междуканальной обработки сигнала на фоне коррелированных помех определяется пространственно-временной (ПВ) матрицей, которую можно представить в виде произведения двух сомножителей [1]:

\\ЯУ адч

где Щ

Е +

(I б

Ы;}.

7?х

М;Ц

= I |бих^|| - первый этап обработки входного сигнала, который определяется ПВ мат-

рицей фона; \\Я

и

Е +

(110

\\

- второй этап обработки входного сигнала, кото-

рый определяется ПВ-матрицей полезного сигнала и остатками фона. Учитывая изменения по пространству и времени параметров отраженного сигнала цели и помехи, оптимальная система обработки, согласно выражения (1), должна быть адаптивной, т.е. ее структура и параметры должны подстраиваться под входной сигнал. В настоящее время для решения этой задачи применяют пространственный и временной автокомпенсаторы подавления помехи, а также пространственный и временной автокогерентные накопители полезного сигнала. Недостатком данных технических решений является отсутствие ПВ системы самонастройки (ПВСС), которая бы учитывала пространственно-временную корреляцию сигнала цели и помехи и за счет этого повышала бы эффективность подавления сигнала помехи и накопление полезного сигнала [2, 3].

Алгоритмы формирования сигналов ошибок ПВ систем самонастройки

ПВ матрицу фона за счет ПВ корреляционной связи можно представить тремя

сомножителями Оы = ЩкА' б;! ' бш , которые учитывают подавление и декорреляцию

фона по времени, углу и по времени-углу. Квадрат амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ПВ фильтра подавления помехи, полученного путем преобразования Фурье матрицы

||0их^||, обратно пропорционален междупериодному S¿(гаТп), междуканальному (га Ту) и междупериодно-междуканальному Бк^1(гаТп, га Т ) энергетическим спектрам фона

1 1 1

(штп, ъуту) Qы

k-1 Х-Х

f -j\_(k-1 )ШТ„ + (х-Л>уГуJ _

Sf (raTn) S' (гауТу) S/>Tn,гаТ )'

В качестве модели междуканального пространственного фильтра подавления рассмотрим адаптивную антенную решетку (AAP) в виде двухканальной схемы, представленной на

рис. 1,ö. Регулируемый «комплексный вес» AAP охвачен комплексной системой автоподстройки, в которой на выходе дискриминатора формируется сигнал ошибки вида

U С0П _ Kд

- jAVnnop

t/\ {U - У U , )! = 2а2K Ггпе-■/Av= - kf е

X-Ц X Х-1 У-1 / J 2 д Г п у-1

В качестве модели междупериодного временного фильтра подавления рассмотрим временной автокомпенсатор (AK) (рис. 1,6). Его регулируемый «комплексный вес» а охвачен комплексной системой автоподстройки, в которой на выходе дискриминатора формируется

сигнал ошибки вида исов _ Kg [и{Ük - а Uk — )] _ 2cj;K

V

rBe-jA^B - ае^АТв,ор В

iir^

Öi„* = % -üüu

а б

Рис. 1. Модели автокомпенсаторов сигнала помехи: а - междуканальный пространственный фильтр;

б - междупериодный временной фильтр

В качестве модели ПВ-фильтра подавления предлагается к известным адаптивным фильтрам подавления помехи применить дополнительную ПВ комплексную систему автоподстройки с «ПВ комплексным весом» V = = к^а , который включает пространственный

к < и временной а вес. Сигнал ошибки такой ПВ комплексной цепи самонастройки должен определяться следующим выражением [4]:

тт = ГГ е->Л^иВ _ -./^шкор

соПВ ' ПВ

Второй этап обработки входного сигнала у заключается в накоплении полезного когерентно-импульсного сигнала цели хкхв^а~ на декоррелированном фоне, элементы центральной диагональной матрицы которого определяются отношением сигнал/фон ц.

Матрица второго этапа обработки (см. выражение (1)) с учетом подавленного сигнала помехи имеет вид

nrx e-j[(k-1)ASB +(x-^)ASn ]

r'kl-tf.

что указывает на когерентное накопление флуктуирующего сигнала с относительной интенсивностью ц на фоне декоррелированной помехи. Квадрат АЧХ второго этапа обработки после дискретного преобразования Фурье от элементов корреляционной матрицы сигнала цели можно записать в виде

R" E +

kl'X

2 м^и № s; вд^юТ,, ш угу)

\KU (шТ , шГ| =-

1 оп у у 1 1+ HS£(«Tn)S;(«yTy)SnB(«Tn,ШуТуУ

где Sx (шТп), S*x (шуТу), SnB(raTn, шуТу) - энергетические спектры междупериодных, междуканальных и междупериодно-междуканальных дискретных значений сигнала цели.

В качестве модели междуканального фильтра накопления используем AAP в виде

двухканальной схемы (рис. 2,а). Регулируемый «комплексный вес» AAP охвачен комплексной системой автоподстройки, в которой на выходе дискриминатора формируется сигнал

ошибки вида UсоПх = 2^пКд [

- JÄ9n

- kx e

В качестве модели междупериодного фильтра накопления рассмотрим автокогерентный накопитель (АКН) на базе рециркулятора с комплексной системой автоподстройки, которая формирует «комплексный вес» (3 = (е ■,Л®Вхкор в задержанном канале (рис. 2,6). Регулируемый «комплексный вес» (3 управляется комплексной системой автоподстройки, в которой на выходе дискриминатора (схемы перемножения) формируется сигнал ошибки вида

UсоВх = Кд [ЦТ-! (Ц - ßUk-)] = 2апКд [^е-^ - ße^- ]

■-1

а б

Рис. 2. Модели АКН сигнала цели: а - междуканальный пространственный АКН;

6 - междупериодный временной АКН

В качестве модели ПВ-фильтра накопления предлагается к известным адаптивным фильтрам накопления полезного сигнала применить дополнительную ПВ комплексную систему автоподстройки с «ПВ комплексным весом», который должен включать два веса: пространственный кх и временной (3 и определяться выражением: V = = кх(3 . Сигнал ошибки такой ПВ-системы автоподстройки должен соответственно определяться следующим выражением [5]:

Uс.

гПВе-^ - ve~■;АЭпВк°р

rn е

Компьютерные модели адаптивных систем ПВ обработки сигнала

Для проверки работоспособности и эффективности рассмотренных ПВ автокомпенсатора (ПВ-АК) и автокогерентного накопителя (ПВ-АКН) предложена их компьютерная модель в программе МЛ^АВ^1МиЫКК (рис. 3). Компьютерная модель включает в себя следующие подсистемы:

- модель формирования пакета из 10 радиоимпульсов цели, помехи и непрерывного шума (В1оск1);

- модель последовательно включенных пространственного АК (ПАК) и временного АК (ВАК) с коммутируемой ПВ системой самонастройки (ПВ автокомпенсатор);

- модель последовательно включенных пространственного АКН (ПАКН) и временного АКН (ВАКН) с коммутируемой ПВ системой самонастройки (ПВ автокогерентный накопитель);

- средства визуализации результатов моделирования (СВРМ).

Blockl включает цепи формирования пакета радиоимпульсов сигнала цели, помехи и шума. Сигналы с выхода Blockl можно подавать на ПВ автокомпенсатор и ПВ автокогерентный накопитель. Контроль процесса моделирования осуществляется с помощью блоков отображения информации (СВРМ) Scopel и Scope2, а также спектроанализаторов Power Spectral Density 1,2,3.

Основная цель моделирования - показать положительный эффект применения ПВ системы самонастройки в ПВ-АК и ПВ-АКН. Моделирование ПВ-АК проводилось в два этапа. При первом этапе из Block1 на вход ПВ-АК с выключенной ПВ системой самонастройки подается пакет сигнала помехи и «белый» шум (рис. 4,а,б). Результаты подавления сигнала помехи на выходах пространственного АК и временного АК показаны на рис. 5,а,д соответственно. Спектр скомпенсированного сигнала помехи на выходе пространственного АК показан на рис. 5,в, а спектр сигнала на выходе временного АК - на рис. 5,ж.

При втором этапе процесс моделирования ПВ-АК повторяется, но уже при включенной ПВ-системе самонастройки. Результаты подавления сигнала помехи на выходах пространственного АК и временного АК показаны на рис. 5,б,е соответственно. Спектр скомпенсированного сигнала помехи на выходе пространственного АК показан на рис. 5,г, а спектр сигнала на выходе временного АК - на рис. 5,з.

Рис. 3. Компьютерная модель ПВ-АК и ПВ-АКН в программе MATLAB-SIMULINK

_

10 15 20

Frequency [rads/sec)

а б

Рис. 4. Сигнал с выхода В1оск1 и его спектр: а - радиосигнал помехи и шума; б - энергетический спектр помехи

Сравнительный анализ спектров сигнала помехи показывает, что при включенной ПВ-системе самонастройки гребенчатый спектр помехи на выходе пространственного АК (рис. 5,г) еще сохраняет гребенчатый вид, а на выходе временного АК (рис. 5,з) помеха декоррелируется и имеет вид спектра белого шума. Сравнение спектров (рис. 5,ж,з) показывает, что при включении ПВ-системы самонастройки мощность помехи уменьшилась с 2-10"5 до 4-10"6 (в 5 раз).

Моделирование ПВ-АКН также проводилось в два этапа. При первом этапе из В1оск1 на вход ПВ-АК с выключенной ПВ-системой самонастройки подается пакет сигнала цели и «белый» шум (рис. 6,а,б).

х Ю"4 Power Spectral Density

s 2

О

5 10 15 20 Frequency (rads/sec) 25 30

д

Power Spectral Density

10 15 20

Frequency (rads/sec)

..........г.......г;........ ........;.........-

Power Spectral Density

8

Ï 6

ъ

' IM :r V r V;r .

5 10 15 20 Frequency (rads/sec) 25 30

ж з

Рис. 5. Сигналы помехи и их спектры: а - радиосигнал помехи с выхода ПАК без ПВСС; б - радиосигнал помехи с выхода ПАК с ПВСС; в - энергетический спектр помехи на выходе ПАК без ПВСС; г - энергетический спектр помехи на выходе ПАК с ПВСС; д - радиосигнал помехи с выхода ВАК без ПВСС; е -радиосигнал помехи с выхода ВАК с ПВСС; ж - энергетический спектр помехи на выходе ВАК без ПВСС; з - энергетический спектр помехи на выходе ВАК с ПВСС

ТГ

1 ï ï ï

Si 0.04 -

m

0.02 -

В Л I.Л S

5 10 16 20 Frequency [rads/sec) 26 30

Рис. 6. Сигнал с выхода В1оск1 и его спектр

Результаты накопления сигнала помехи на выходах пространственного АКН и временного АКН показаны на рис. 7,а,д. Спектр накопленного сигнала цели на выходе пространственного АКН показан на рис. 7,в, а спектр сигнала на выходе временного АКН - на рис. 7,ж.

б

а

в

г

е

б

а

При втором этапе процесс моделирования ПВ-АК повторяется, но уже при включенной ПВ-системе самонастройки. Результаты накопления сигнала цели на выходах пространственного АКН и временного АКН показаны на рис. 7,б,е соответственно. Спектр накопленного сигнала цели на выходе пространственного АКН показан на рис. 7,г, а спектр сигнала на выходе временного АКН - на рис. 7,з.

а

Power Spectral Density

10 15 20

Frequency [rads/sec)

б

Power Spectral Density

10 15 20

Frequency (rads/sec)

! i

..........

- ill— ± ... I..... "1..... jl.......].. ...... ... 1

s -II..... "1..... 1

.......... II i 1 г 1.....

i

д

Power Spectral Density

10 15 20

Frequency [rads/sec)

е

Power Spectral Density

10 16 20 Frequency [rads/sec)

ж 3

Рис. 7. Сигналы цели и их спектры: а - радиосигнал цели с выхода ПАКН без ПВСС; б - радиосигнал цели с выхода ПАКН с ПВСС; в - энергетический спектр сигнала цели на выходе ПАКН без ПВСС; г -энергетический спектр сигнала цели на выходе ПАКН с ПВСС; д - радиосигнал цели с выхода ВАКН без ПВСС; е - радиосигнал цели с выхода ВАКН с ПВСС; ж - энергетический спектр сигнала цели на выходе ВАКН без ПВСС; з - энергетический спектр сигнала цели на выходе ВАКН с ПВСС

Сравнительный анализ спектров сигнала цели (рис. 7,ж,з) показывает, что при включении ПВ системы самонастройки мощность сигнала цели увеличилась в 1,3 раза.

Заключение

Применение в ПВ-АК и ПВ-АКН дополнительной ПВ-системы самонастройки приводит к увеличению коэффициента компенсации помехи и коэффициента накопления полезного сигнала.

в

г

COMPUTER MODELS OF ADAPTIVE SYSTEMS OF SPACE-TIME PROCESSING OF THE FLUCTUATING SIGNAL AGAINST THE CORRELATED HINDRANCES

Y.V. GRIDNEV, V.A. PALTSEV Abstract

Computer models of the space-time auto compensator and the auto coherent drive in the MATLAB-SIMULINK program are constructed and analyzed.

Список литературы

1. Охрименко А.Е. Основы радиолокации и РЭБ. М, 1983.

2. КоростелевА.А. Пространственно-временная теория радиосистем. М., 1987.

3. Монзинго Р.А., Миллер Т. У. Адаптивные антенные решетки. М., 1986.

4. Гриднев Ю.В. Авторское свидетельство SU №1632209

5. Гриднев Ю.В., Пальцев В.А., Осипова Д.Н. Патент на полезную модель BY №7898 U.