CC BY
32
УДК 004; 303.732
МЕТОД УМЕНЬШЕНИЯ БОКОВЫХ ЛЕПЕСТКОВ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ С ВЫСОКОЙ СКОРОСТЬЮ УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИИ В РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
Д.В. Фролов, А.М. Качуро, Д.Ю.Колесник
Представлен метод снижения уровня боковых максимумов время-частотной функции рассогласования сигналов с высокой скоростью угловой модуляции - многочастотных линейно-частотно-модулированных сигналов, путем дополнительной фазо-кодовой манипуляции и применения алгоритма формирования ансамбля и использования данных сигналов радиолокационными средствами. Приведены результаты моделирования автокорреляционной функции полученных сигналов и сделаны выводы о целесообразности их применения.
Ключевые слова: сложные сигналы, двумерная корреляционная функция, ансамбль сигналов, локационные средства, согласованный выбор.
Интенсивное развитие и совершенствование аэродинамических и космических летательных аппаратов, повышение качества и создание новых средств радиоэлектронной борьбы требуют разработки радиолокационных систем, обладающих высокой помехозащищенностью и скрытностью в работе, способных наряду с традиционно решаемыми задачами осуществлять классификацию целей. Требуемая помехозащищенность, а также реализация адаптации и оптимизации режима зондирования возможны при приемлемой сложности технических решений генерирования и обработки сигналов. Такие решения осуществимы на основе сравнительно простых в реализации квазишумовых сигналов с комбинированной модуляцией, синтезированных из уже освоенных видов сигналов.
Исследованию свойств сложных сигналов с высокой скоростью угловой модуляции и вопросам их практического применения посвящено большое число работ отечественных и зарубежных авторов [1 - 6]. Определенными достоинствами среди рассмотренных обладает квазишумовой когерентный многочастотный линейно-частотно-модулированный (МЧ ЛЧМ) сигнал [7], который подробно изучен такими авторами, как В.И. Го-мозов, В.Ф. Веселов, В.Н. Котенко, А.И. Николаев. МЧ-сигналы обладают следующими достоинствами: большие дальность и вероятность обнаружения целей, сочетающиеся с хорошим разрешением по дальности, неоднозначность радиоразведки, хорошие защищенность от узкополосных активных помех и скрытность при нерегулярной манипуляции частоты, возможность классификации целей по отраженным сигналам (крупноразмерные или малоразмерные самолеты, крылатые ракеты, головки или последние ступени баллистических ракет и т.д.). Частотно-временная структура для когерентного МЧ ЛЧМ-сигнала показана на рис. 1.
МЧ ЛЧМ-сигналы формируются относительно простым способом в одноканальном устройстве формирования, основным элементом которого является фазовый модулятор, а также позволяют осуществлять адаптивное
289
изменение параметров зондирующего сигнала, в частности ширину спектра А ^, в соответствии с задаваемым режимом работы РЛС и сложившейся обстановкой.
Рис. 1. Частотно-временная структура для когерентного
МЧ ЛЧМ-сигнала
Однако одним из основных недостатков когерентных МЧ ЛЧМ-сигналов, который сдерживал их широкое применение, как показано в [8], является относительно большой уровень максимального бокового лепестка одномерной автокорреляционной функции (АКФ) Aбл=-8 дБ. Кроме того, двумерная АКФ МЧ ЛЧМ-сигнала обладает таким недостатком, как наличие дополнительных максимумов, соизмеримых по амплитуде с главным, появление которых обусловлено периодической структурой спектра сигнала. На рис. 2 для скважности спектра Q=1 и индекса фазовой модуляции Мф=5 представлена двумерная АКФ МЧ ЛЧМ-сигнала.
Одним из вариантов снижения уровня боковых лепестков и дополнительных максимумов АКФ формируемого сигнала предлагается использовать дополнительную фазокодовую манипуляцию исходного ЛЧМ-радиоимпульса и гармонического модулирующего напряжения. Выражение для полученного МЧ ЛЧМ-ФКМ-сигнала в общем случае запишется в виде
^вых (О = Е Jn(Mф ^
РА f
Р °Ч2 +0^0 + 2р t + П фр(0
т„
(1)
со
П=-¥
где ^) - фазовая манипуляция внутри СВЧ ЛЧМ радиоимпульса; ф р (1) - фазовая манипуляция внутри модулирующего колебания
на частоте К,
Мф=5
х 10
-з -2
Рис. 2. Двумерная автокорреляционная функция МЧ ЛЧМ-сигнала со скважностью спектра 0=1 и индексом фазовой модуляции Мф=5
Соответствие сигнала предъявленным требованиям оценивается по двумерным автокорреляционным функциям, наиболее полно отражающим его потенциальные возможности и информативность [9 - 11].
Выражение для двумерной автокорреляционной функции МЧ ЛЧМ-ФКМ-сигнала имеет вид
_ ¥ ¥ *(т,рд) = X^(Мф) Iимф)х
1-1 х I
к=0
ехр(- 7'Рк )• ехр / 1, л j Ь к+1 1 а ) - ехр { ък Ц 1 а)
ja
(2)
где
а = 2р(Бд + Кт (п - т) + —0 т);
ти
Р к
2 л тБ т т -
рР ^0 „.2
+ [(п ф р (1) - т ф р (1 - т))+ (6г (1) - 6г (1 - т))].
На рис. 3 и 4 представлены поверхности двумерных АКФ МЧ ЛЧМ-и МЧ ЛЧМ-ФКМ-сигналов с одинаковыми параметрами модуляции 0=1, Мф=5. В качестве кодовой последовательности для осуществления фазо-кодовой манипуляции ЛЧМ-радиоимпульсов использовалась М-последовательность с количеством дискрет п1=43, 97, для фазокодовой ма-
т
и
нипуляции гармонического модулирующего напряжения в качестве кодовой последовательности был использован код Баркера с количеством дискрет П2=3. Анализ результатов моделирования позволяет сделать вывод о том, что применение фазокодовой манипуляции позволяет снизить уровень боковых максимумов формируемых сигналов (рис. 3, 4).
□.в
Мф=5
х 10
Рис. 3. Двумерная автокорреляционная функция МЧ ЛЧМ-сигнала с параметрами модуляции Мф=5
0.3
□ .Б
0.4
0.2
х 10
Рис. 4. Двумерная автокорреляционная функция МЧ ЛЧМ-ФКМ-сигнала с параметрами модуляции Q=1, Мф=5
Второй вариант снижения уровней боковых максимумов МЧ ЛЧМ-ФКМ - формирование ансамбля используемых сигналов и целенаправленный их выбор различными радиолокационными средствами в процессе работы.
Предлагаемый вариант применения МЧ ЛЧМ-ФКМ предусматривает несколько этапов.
Этап 1. Определение количества МЧ ЛЧМ-ФКМ (^ /) с различными кодами, необходимых на интервале времени взаимовлияния сигналов тахт, е Тк.
Задача решается известными методами теории массового обслуживания с учетом количества взаимодействующих средств и характеристик используемых сигналов [10].
Этап 2. Определение подмножеств О^' (где 1 е 1, М ,М - количество формируемых подмножеств) МЧ ЛЧМ-ФКМ с требуемыми корреляционными свойствами.
Задача на этом этапе заключается в выборе из сформированного
множества сигналов О з наборов сигналов и составление программы их использования во времени. Для ее решения необходимо оценить автокорреляционные и взаимокорреляционные функции (ВКФ и АКФ) МЧ ЛЧМ-ФКМ.
Из-за случайной взаимной задержки полезного и мешающих сигналов значение АКФ и ВКФ мешающих сигналов в момент приема полезного сигнала (пика его АКФ) являются случайными величинами (в первом приближении - равновероятными). Средний уровень боковых лепестков МЧ ЛЧМ-ФКМ, необходимый в этом случае для оценки, можно определить по соотношениям
Р2 =^IР,1 (т>#, Р1 = ТР1 (т)^+—Р1 (т)^, (3)
2Т —т
Т —1
т — 1/ 1/р' 1 /Р
где Т, Р -длительность и ширина спектра сигнала; р 1 (т ), р , 1 (т ) - нормированные АКФ 1-го сигнала и ВКФ ,-го и 1-го сигналов соответственно.
При большой мощности исходного множества сигналов О з для отбора сигналов в подмножества От целесообразно применение процедур направленного поиска, в частности, на основе ранжирования или оценки кодовых расстояний, например, расстояния Хемминга [10,11]. В любом
ОТ'
случае решение на включение сигнала в подмножества -ниматься по критерию
', к е ОТз',: Р'к = | X' (г)хк (г + т)Л <рд,
должно при-
(4)
где Р^ - допустимый уровень БЛ АКФ и ВКФ.
Формирование О1' с использованием ранжирования параметров Р¡к сводится к построению матрицы взаимовлияния
Р11 Р1к Р1км 3
Р'к II= Р21 Р2к Р2кы з , (5)
Р Р Ы3 к Р Nз N 3
ее упорядочиванию по величине уровней боковых лепестков АКФ и ВКФ и замене матрицей отобранных сигналов
293
—оо
m, n
k1,1
k 1 m,l
kL,1
k
l,n
k
m, n
k
L,n
k1, N km, N kL, N
"km,n • ßm,n (km,n ) £ßд*
юп
(6)
где Ып - количество сигналов, отобранных на п-м этапе; Ь - количество этапов выбора, причем Ь • N = Ыз.
Этап 3. Согласованное применение МЧ ЛЧМ-ФКМ в радиолокационных средствах.
Заключение. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что увеличение разрядности кодирующей последовательности ЛЧМ-радиоимпульса и выбор параметров модуляции приводит не только к снижению дополнительных максимумов, но и к сужению главного максимума одномерной АКФ, что соответственно приводит к увеличению разрешающей способности по дальности. Вариант формирования ансамбля и использования МЧ ЛЧМ-ФКМ в радиолокационных средствах позволяет ослабить требования к корреляционным характеристикам МЧ ЛЧМ-ФКМ.
Список литературы
1. Теоретические основы радиолокации / под ред. Я. Д. Ширмана. М.: Сов.радио, 1970. 650 с.
2. Ширман Я. Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981. 416 с.
3. Экспериментальные исследования информационных свойств когерентных радиолокационных сигналов / М.М. Черных, О.В. Васильев, А.В. Богданов, А.Н. Савельев, В.Е. Макаев // Радиотехника. 2000. №3. С. 47 - 54.
4. Пестряков В.Б., Афанасьев В.П., Гурвиц В.Л. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. М.: Советское радио, 1973. 424 с.
5. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. Теория и применение. М.: Сов.радио, 1971. 568 с.
6. Вакман Д.Е., Седлецкий Р.М. Вопросы синтеза радиолокационных сигналов. М.: Советское радио, 1973. 312 с.
7. Кочемасов В.Н., Белов Л.А., Оконешников B.C. Формирование сигналов с линейной частотной модуляцией. М.: Радио и связь, 1983. 192 с.
9. Кочемасов В.Н., Кряжев В.П., Оконешников B.C. ЛЧМ-сигналы с внутриимпульсной фазовой манипуляцией // Радиотехника. 1980. № 2. С. 57 - 60.
10. Морелос - Сарагоса Р. Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы, алгоритмы, применение. М.: Техносфера, 2006. 320 с.
11. Мазурков М.И., Кропачев С.Н. Большие системы бинарных фа-зоманипулированных сигналов на основе последовательностей Голда // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. 2010. Т. 53. № 6. С.40 - 47.
Фролов Дмитрий Валерьевич, канд. техн. наук, старший преподаватель, Frdmitrii@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Качуро Александр Михайлович, канд. техн. наук, доцент, fate_alex@,rambler. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского,
Колесник Денис Юрьевич, адъюнкт, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
METHOD OF REDUCING SIDE LOBES OF COMPLEX SIGNALS WITH A HIGH RATE OF ANGLE MODULATION IN RADAR SYSTEMS
D.V. Frolov, A.M. Kachuro, D.YKolesnik
The method of reducing the level of the lateral maxima of the time-frequency mismatch function of signals with a high rate of angular modulation: multi-frequency linear-frequency-modulated signals (LFM), by additional phase-code manipulation (FCM) and the application of the algorithm for the formation of the ensemble and the use of these signals by radar (radar). The results of the simulation of the autocorrelation function of the received signals are presented and conclusions are made about the feasibility of their use in various types of radar.
Key words: complex signals, two-dimensional correlation function, an ensemble of signals, location tools, consistent selection.
Frolov Dmitry Valeryevich, candidate of technical sciences, senior lecturer, Frd-mitrii@yandex. ru, Russia, St. Petersburg, Mozhaisk Military Space Academy,
Kakuro Alexander Mikhailovich, candidate of technical sciences, docent, space control, fate alexarambler. ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Kolesnik Denys Yurievich, adjunct, Denis_Kol6383@yandex. ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
