CC BY
138
УДК 621.376.56
МЕТОД ЧАСТОТНОЙ РЕЖЕКЦИИ ПОМЕХ В РЛС С КВАЗИНЕПРЕРЫВНЫМ РЕЖИМОМ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРИЕМА СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ
Н.Е.Быстров, И.Н.Жукова
INTERFERENCE FREQUENCY REJECTION METHOD FOR RADAR SYSTEMS WITH QUASICONTINUOUS MODE OF WIDEBAND SIGNALS' TRANSMISSION AND RECEPTION
N.E.Bystrov, I.N.Zhukova
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected]
Рассмотрен метод обработки сигналов с многопозиционной фазовой манипуляцией и двухуровневой нерегулярной структурой огибающей энергетического спектра при частотной режекции помех в РЛС с квазинепрерывным режимом излучения и приема. Выполнен анализ эффективности предлагаемого метода.
Ключевые слова: радиолокационные системы, сложные сигналы, квазинепрерывный режим излучения и приема сигналов, квазинепрерывный энергетический спектр, частотная режекция
This paper considers the method for processing multiple phase-shift keying signals with nonregular two-level energy spectrum envelope. Interference frequency rejection method for radar systems with quasicontinuous mode of wideband signals' transmission and reception i s presented. Analysis of the method efficiency i s carried out.
Keywords: radar systems, wideband signals, quasicontinuous mode of signals' transmission and receptions, quasicontinuous energy spectrum, frequency rejection
Постановка задачи
Радиолокационные станции (РЛС) с квазинепрерывным режимом излучения и приема амплитуд-но-фазоманипулированных сигналов (АФМ) большой длительности и малой средней скважности [1] чувствительны к действию пассивных помех. Частотная селекция скоростных целей на фоне интенсивных отражений от подстилающей поверхности малоэффективна, поскольку АФМ сигналы обладают сплошным спектром в диапазоне анализа, а в аддитивной смеси отражений энергетические спектры полезного и мешающего сигналов с различными доплеровскими сдвигами частоты полностью перекрываются.
Известны [2-4] методы синтеза импульсных радиосигналов с многопозиционной фазовой манипуляцией и огибающей энергетического спектра с компонентами высокой и низкой интенсивности. Доплеровское смещение частоты между обнаруживаемым сигналом и пассивной помехой приводит к смещению их спектров
и частичному «перекрытию» спектральных компонент с высокой интенсивностью. При обработке сигналов для минимизации воздействия пассивных помех производится частотная режекция их спектральных компонент высокой интенсивности. В результате теряется незначительная часть энергии полезного сигнала, но вырезается значительная часть энергии мешающих отражений. Остаточный уровень помех обусловлен наличием спектральных компонент с низкой интенсивностью.
Дополнительная амплитудная манипуляция сигналов с двухуровневой нерегулярной структурой огибающей энергетического спектра, обусловленная необходимостью коммутации приемопередающего тракта РЛС, разрушает форму огибающей энергетического спектра.
В статье предлагается метод обработки сигналов, позволяющий восстановить для мощных помех структуру огибающей энергетического спектра и повысить эффективность частотной селекции в РЛС с квазинепрерывным режимом излучения и приема.
2 -
1к\, дБ 60
200 г
200 к
Рис.1. Сигнал с квазинепрерывным спектром: а) фрагмент изменения фазы сигнала;б) фрагмент квазинепрерывного амплитудного спектра сигнала
Формирование и обработка сигналов с квазинепрерывным энергетическим спектром в РЛС с квазинепрерывным режимом излучения и приема сигналов
Пусть закон фазовой манипуляции зондирующего сигнала задается дискретной многофазной модулирующей последовательностью ^ = exp(j ■ фг), г = 0...Ы -1 с отсчетами амплитудного спектра
=
1у — 1
£ ¿г exp(- 2%кг/Ы)
г=0
к = 0...Ы -1, сконцентри-
рованного вблизи некоторых двух уровней, резко отличающихся друг от друга по значению. Методы синтеза последовательности ¿г приведены в [2-4]. Фрагмент изменения фазы фг последовательности ¿г длиной N = 16383 и соответствующий ей фрагмент квазинепрерывного амплитудного спектра, вычисленного на некратных частотах, представлены на рис.1а и 1б соответственно. На рис.1б над графиком |.к| отображена последовательность Ьк е {0,1}, описывающая форму огибающей |.к|. Динамический диапазон уровней амплитудного спектра характеризуется отношением вида
к=0
N-1 N-1 /
Е(1-ьк )
к=0
—. (1) Ьк, (1-Ьк) ¿к|2)
V к=0 V к=0
Для рассматриваемого примера последовательности Iг ^ = 17,2 дБ.
Амплитудная манипуляция по закону дискретной последовательности хг е {0,1} трансформирует амплитудный спектр сигнала, закон модуляции которого описывается дискретной последовательностью щ = хг1г. На рис.2 представлен фрагмент двоичной последовательности хг со средней скважностью Qx = 2 и коэффициентом кх = 2, отражающим минимальную длину серии подряд следующих отсчетов с одинаковым значением. Динамический диапазон
уровней амплитудного спектра ||к| последовательности щ>г (рис.3) снижается до 7,9дБ.
0.5'
0 50 100 150 200 г
Рис.2. Дискретная последовательность, определяющая закон амплитудной манипуляции сигнала с квазинепрерывным спектром
1к , дБ 60Г
"Г
"Г
"17
йи к
200 к
Рис.3. Фрагмент квазинепрерывного амплитудного спектра сигнала после амплитудной манипуляции
Согласованная обработка аддитивной суммы отраженных сигналов в частотной области согласно [5] базируется на вычислениях:
N-1
1) спектра Бк =£ ¿г (1- хг )ехр(- j 2лk^N), где
г=0
кг — отсчеты комплексной огибающей принятого сигнала, (1- хг) — отсчеты сигнала коммутации приемного тракта РЛС при квазинепрерывном режиме излучения и приема;
2) спектров 1к-у опорных (канальных) сигналов;
ж
0
л
-ж
х
(1 - X.)
А с -►
ФО И
J к J к
Рис.4. Функциональная схема обработки с интерполяцией и последующей частотной режекцией мощных сигналов
3) обратного дискретного преобразования Фурье (ДПФ) над произведением :
-
и V - у„
N-1
ехр( ■ Ъкт^)
к-0
где т-т^п■■■т„
утах — номера дальномерного и частотного каналов, — знак комплексного сопряжения.
Обработка с применением частотной режекции [2] заключается в умножении активных спектральных
отсчетов Wk_v опорного (канального) сигнала на отсчеты сигнала режекции (1- Ьк-и). После обратного ДПФ над произведением Бк (¥*_у (1_ Ьк-и)) из спектра принятого сигнала исключаются спектральные отсчеты режектируемого мощного сигнала с высоким уровнем. При этом доплеровский сдвиг частоты и априорно известен.
Rm,v
£ Бк (Wk_v(1_ Ьк_и))ехр( j 2nkm/N)
к-0
и Ф V. (2)
Коммутация приемного тракта вносит дополнительный вклад в трансформацию спектра принятого сигнала, возникающую еще при амплитудной манипуляции зондирующего сигнала. Динамический диапазон ^ уровней амплитудного спектра сигнала уменьшается, что автоматически снижает эффективность частотной селекции движущейся цели на фоне отражений, распределенных по задержке и локализованных в узком диапазоне доплеровских сдвигов частоты.
Восстановление формы спектра сигнала возможно при восстановлении его непрерывной структуры путем интерполяции недостающих отсчетов мощных сигналов, входящих в аддитивную сумму отражений.
с г.
к - £АЛ_т (1 _ (1 _X)х1-т )ехР(_ j), (3)
с-1
где Ас, с-1,..С — оценки комплексных амплитуд С
мощных сигналов с доплеровским сдвигом частоты и.
Функциональная схема обработки с интерполяцией мощных сигналов и последующей их частотной режекцией представлена на рис.4. На схеме ФО — формирователь оценок, И — интерполятор.
Оценка эффективности частотной режекции с интерполяцией мощных помех
Продемонстрируем эффективность частотной режекции на примере выделения сигнала
Щ - л/Р>г-т, ехр[/(2ту'/N + фи)] мощностью Ри,
сдвигом по задержке ти и доплеровской частоте vu,
начальной фазой фи из аддитивной смеси с сигналом
, с _
помех 4 - £ 4р(СС)Щ_с ехр[/(2л^//^ + фс)], где
с-1
с
р^ - £ р(с) — общая мощность составляющих сиг-
с-1
нала помех, — нормированный доплеровский сдвиг частоты, определяемый количеством отсчетов спектра сигнала, причем vu, фс — случайные
начальные фазы с равномерным законом распределения в диапазоне [-я,я].
р( с ), дБ
1x10 С
- 60 о
- 8!
- 100-
- 120"
Рис.5. Распределение мощности помех по задержке
Будем полагать, что распределение р(с) общей мощности р^ помех по задержке описывается функцией, представленной на рис.5, что характерно для отражений от подстилающей морской поверхности, локализованных по частоте и протяженных по задержке.
Пусть р/ Ри = 37 дБ, а и vu принимают
целочисленные значения. Спектры - и. + 4 и и.
после коммутации в приемном тракте представлены на рис.6. Можно видеть, что их огибающие полностью утратили двухуровневую структуру. При заданном отношении мощностей сигналов иг и
согласованная обработка не позволяет выполнить обнаружение полезного сигнала (рис.7). Среднеквадратическое значение R0m,v по задержке
т и частоте V составляет -18,3дБ при длине сигнала N= 16383.
Рис.6. Спектры полезного сигнала и аддитивной смеси сигнала и помех после коммутации в приемном тракте
, дБ
Рис.7. Частотно-временная функция результатов обработки аддитивной смеси сигнала и помех
Согласованная обработка дает возможность получить оценки только для 32 самых мощных сигналов в смеси помех и выполнить интерполяцию согласно (3). В результате огибающая спектральной плотности суммы входного сигнала ¿г и сигнала
интерполяции ^ приобретает двухуровневый характер, отраженный на рис.8. Динамический диапазон уровней амплитудного спектра \&к + Нк| становится
равным ^ = 8 дБ. Снижение ^ на 9 дБ по сравнению со значением ^ для исходной модулирующей последовательности Iг объясняется наличием сигналов помех, для которых не была выполнена интерполяция.
дБ 20
О 50 100 150 20 к
Рис.8. Спектры полезного сигнала и аддитивной смеси сигнала и помех после интерполяции + |,
, дБ
т
Рис.9. Частотно-временная функция обработки сигналов с интерполяцией и частотной режекцией мощных помех
Вместе с этим, частотная режекция интерполированного сигнала позволяет снизить среднеквад-ратическое значение Rmv до -30,8 дБ. В результате
полезный сигнал обнаруживается, а отношение сигнал/шум после квазисогласованной обработки с частотной режекцией и интерполяцией мощных помех становится равным 15,5 дБ (рис.9). Если доплеров-ский сдвиг частоты помех кратен половине бина, то точность оценки помех и последующей интерполяции снижается, а значение отношения сигнал/шум после квазисогласованной обработки с частотной режекцией и интерполяцией мощных помех снижается до 9 дБ.
Выводы
Предложенный метод обработки позволяет реализовать частотную селекцию помех в РЛС с квазинепрерывным режимом излучения и приема сигналов, эффективность которой зависит от точности оценки параметров мощных отражений и дальнейшей интерполяции.
1. Гантмахер В.Е., Быстров Н.Е., Чеботарев Д.В. Шумопо-добные сигналы. Анализ, синтез, обработка. СПб.: Наука и техника, 2005. 400 с.
2. Быстров Н.Е., Жукова И.Н., Чеботарев С.Д. Синтез сложных сигналов с квазинепрерывным энергетическим спектром // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2012. Вып.2. С.37- 43.
3. Быстров Н.Е., Чеботарев С.Д. Итерационный алгоритм синтеза сигналов с квазинепрерывным спектром // Вестник НовГУ. Сер.: Техн. науки. 2014. №>81. С.4-6.
4. Быстров Н.Е., Чеботарев С.Д. Анализ и синтез сигналов с квазинепрерывным спектром // Успехи современной радиоэлектроники. 2014. № 3. С.72-75.
5. Жукова И.Н. Синтез квазинепрерывных сигналов методом композиции ансамбля многофазных сигналов // Вестник НовГУ. Сер.: Техн. науки. 2014. №>81. С. 17-20.
References
1. Gantmakher V.E., Bystrov N.E., Chebotarev D.V. Shumopodobnye signaly. Analiz, sintez, obrabotka [Spread-spectrum signals. Analysis, synthesis and processing]. St. Petersburg, "Nauka i tekhnika" Publ., 2005. 400 p.
2. Bystrov N.E., Zhukova I.N., Chebotarev S.D. Sintez slozhnykh signalov s kvazinepreryvnym energeticheskim spektrom [Synthesis of wideband signals with
quasicontinuous energy spectrum]. Izvestiia vuzov Rossii. Radioelektronika, 2012, iss. 2, pp. 37- 43.
3. Bystrov N.E., Chebotarev S.D. Iteratsionnyi algoritm sinteza signalov s kvazinepreryvnym spektrom [Iterative algorithm of quasicontinuous energy spectrum signals synthesis]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2014, no. 81, pp. 4-6.
4. Bystrov N.E., Chebotarev S.D. Analiz i sintez signalov s kvazinepreryvnym spektrom [Analysis and synthesis of quasicontinuous spectrum signals]. Uspekhi sovremennoi radioelektroniki - Achievements of Modern Radioelectronics, 2014, no. 3, pp. 72- 75.
5. Zhukova I.N. Sintez kvazinepreryvnykh signalov metodom kompozitsii ansamblia mnogofaznykh signalov [Quasi-continuous signals synthesis using the method of multiphase signals ensemble composition], Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2014, no. 81, pp. 17-20.
