CC BY
32Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2017, 10(4), 475-483
УДК 621.398
Accuracy Estimation Methods
of Onboard Radar Signalpoint Interference Generation
Roman V. Antipensky* and Yuri L. Koziratsky*
Military Education and Research Centre of Military-Air Forces
«Military-Air Academy Named After Professor N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin» 54а Starykh Bolshevikov Str., Voronezh, 394064, Russia
Received 21.01.2017, received in revised form 09.03.2017, accepted 18.04.2017
The article considers the methods and reveals the estimation of accuracy in signalpoint interference generation for onboard radar. Both different factor of amplitude unevenness of the detector modulation functions signal and number of ADC digits influence the accuracy under the question.
Keywords: signalpoint interference, estimation of accuracy in generation, amplitude unevenness.
Citation: Antipensky R.V., Koziratsky Yu.L. Accuracy estimation methods of onboard radar signalpoint interference generation, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2017, 10(4), 475-483. DOI: 10.17516/1999-494X-2017-10-4-475-483.
© Siberian Federal University. All rights reserved
* Corresponding author E-mail address: [email protected]
Методика оценки точности формирования
сигналоподобных помех
бортовым радиолокационным станциям
Р.В. Антипенский, Ю.Л. Козирацкий
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил
«Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» Россия, 394064, Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54а
Рассмотрена методика и получена оценка точности формирования сигналоподобных помех бортовым радиолокационным станциям разведки для различных значений коэффициентов амплитудной неравномерности амплитудно-частотной характеристики детектора модулирующей функции сигналов и разрядности АЦП цифрового формирователя сигналоподобной помехи.
Ключевые слова: сигналоподобная помеха, оценка точности формирования, амплитудная неравномерность.
Введение
В настоящее время при разработке техники РЭБ с бортовыми радиолокационными станциями противника (БРЛС) все большее внимание уделяется интеллектуальным способам радиоподавления, основанным на создании сигналоподобных помех. При этом основными процедурами создания таких помех являются измерение параметров зондирующих сигналов, детектирование модулирующих функций сигналов и воспроизведение сигналоподобных помех на основе произведенной оценки с наименьшими отклонениями. Неточность конструктивного воспроизведения алгоритмических характеристик приемных и формирующих устройств приводит к существенным ошибкам, которые значительно увеличиваются, когда в принимаемой смеси содержатся помеховые воздействия. Задачи измерения параметров и воспроизведения радиосигналов решаются как аналоговыми, так и цифровыми методами. При аналоговой обработке и формировании радиосигналов на точность воспроизведения влияют в основном отклонения рабочих характеристик устройств от теоретически рассчитанных [1, 2]. При цифровой обработке и формировании радиосигналов основную погрешность, как известно, вносят аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
Целью исследования является разработка методики оценки точности формирования сиг-налоподобных помех бортовым РЛС-методом имитационного моделирования по информационному показателю подобия [3].
Разработка методики и модели для оценки точности формирования сигналоподобных помех
В современных бортовых РЛС широко используются сигналы с нелинейной частотной модуляцией (НЛЧМ), база которых В = А/• Т„ может достигать значений, близких к 1000 [3]. Методы и алгоритмы измерения временных и частотных параметров таких сигналов достаточ-
но полно изложены a работах [4, 5] и реалиоованы is современной аппаратуре радиотехниче-скпй еазводки. Однако uo аирэеаеьо влииопонир Пдеоокткр
сионалои, иерающив рлючевию роль 1то]р:т[ фярмирлаании иигнавоеюдоврых помер, е стгеатся не оспроцеиными, шитому епредпкониезаоенс йпаиамотрввмонулиочвщей функции (МФ) таких аигналел, отоаидно, представооппли таиболеа тьжндши.
Для оррндилиная мозлулироющрй функеии НЛЧМ-еигиалрвобычно исполезуютел детек-торытиенан: as с чалеоаонй модулсции^прадставляющиеиаРей цепь с линейно возраетающей (убываю щойв амалитуднаеинраврнои характерисеивой (вОНВН) на улсиоса, ееюеврееттующем спектру дeаeйаитрамoеocиинаде.ПpиэтрмрcалpeмзннoИpaдвралeкеpoннвйрдплpРйypе для получеие^яьс]^н^]вор^дер,3[^'^(4нн([т рерактерирееки с баершойкрернснан наотнаситрнсно широком учасвкечастлаистользвются дзтереарь^пвотнланные кол4aднымcйл4инсни4мора коль-ких звеньев.Б алочае венеонения ипaоьныxxтиaвртоиcтйкаолиxбЗоертopал от оттимельных линейность АЧХ нарушается, возникает неравномерность как по уровню, так и по частоте (количеству волн). Для исследования влияния неравномерности АЧХ детектора на точность определения модулирующей функции НЛЧМ-сигналов введем коэффициенты относительной амплитудной КА и волновой неравномерности КВ АЧХ детектора:
К _ MAX(2?fn + ka • sin(2nf • ks)) - MIN{lnfn + ka • sin(2nf • ks)) (1)
A _ MAX(2nfn + ka • sin(2f • ks))
кв -)■ (2)
]где 2зс/и, 2nfv - нижняи и верхняя граничные частоты линейно возрастающего участка АЧХ детектора; ka -амплитуданераваомерностиАЧХ; ks - чачтоткфлуктуаций (количество волн) АЧХдетектора. Ттодамодеть лчмпдтткнойпередачафной фунтции -КПФ) детектора НЛЧМ-сиг-ала а нчетомиеьИаоддмостаупрррленин шафИтоиенткчи тмплитудной и волновой неравномерности иожет -ытт сле^ющего вида:
h DM (f ) = if [[< f< Jv, ( + ka • sin(2nf • (3)
nyje ifa услвакон функциа сидя1 (условсе, опец>атяр 1 п-н выполнеисипсловея, оператор 2 при невыпояниаии условия).НЛЧМ-1игнал с гаратничзским зааоно— измснения модулирующей Цлвкуии можят £)1>в'^1>пя)ес^13иаяя^рт^либе об]азом:
SNLCM (0) = U0 sin( j +l7If o + ßt + mA sin(2лтBt))dt , (4)
V о )
одеВ10- амалитада сотнава;/, -нсвутцая частота;Р = ^^^^/ ММ - скоростоизменения частоты оьутри ампулаеа;4/и девтым частоты] тв а— — амплнсудный м волновой параметры гар-атничзсиазo амяона изменении Фантоны НЛЧМ-за^^^^-тн [2].Раафе1винхеграл в правой части Кормулы I4X мажнв пояучитьяыаиженпк днн НЛЧМ титнала с мapмоничecким законом изме-нениямодулирующей функции:
( ßt2 т л SNLCM (t) = U0 Sln 2n2ot + — + (1 - COS^TBV))
V 0 2 2mnB
еа сИР -
Используя спектральный метод анализа преобразований сигналов в цепях, можно найти модулирующую функцию НЛЧМ-сигнала. Для этого выполним прямое преобразование Фурье (процедура С¥¥Т(х}), перемножение комплексного спектра сигнала с КПФ детектора и обратное преобразование Фурье во временную область (процедура 1С¥¥Т(х)) [6]. Выделив реальную часть получившегося массива отсчетов, имеем временное представление искомой модулирующей функции, в котором изменение частоты НЛЧМ-сигнала соответствует изменению амплитуды модулирующей функции:
Smf (t) = Re
ICFFT
h dm (f) • CFFT [Snlcm (0]
(6)
После определения закона модулирующей функции НЛЧМ зондирующего сигнала в приемном устройстве станции сигналоподобных помех выполняется преобразование выявленной функции в цифровую форму с помощью АЦП для последующей записи в оперативную память и цифрового синтеза помехи. На точность воспроизведения синтезированной сигналоподоб-ной помехи по запомненной модулирующей функции будут влиять возникшие при аналого-цифровом преобразовании шумы квантования и шумы ограничения. При условии близости закона модулирующей функции к линейному на протяжении длительности одного зондирующего импульса шумам огрениченоя в АЦП можнн оренерречь. Тосда выржжение для сигна-лоподориой помоли, сформриорунно0 на урново детектарованоой модукирфющей функции, мржне пpудcтaвитд га согедующдм пудр:
Ssp (t) = U 0 sin
{ („ +SMF(t) + e) (tj)dt
(7)
2
где Zadc-B) - вектор случайных отсчетов ошибяч квянтования с заданной дисПерсией ое , некор-релированрыр сотсчетамисигналоподобнойпомехи. Ошибка квантования при этом должна
< А г„ . - ю„
S ADC
уяовлчтворятн неяавенству sa4DC < — [3], где Д = —-- шаг квантования; mmax, mmi„ -
2
магслмгкиная ]ь минимальнгя круговаю каттоты (амплитудные значения при оцифровке) мо-дущирующей функции; р - рагрядность АЦП,аоредгляющая количество квантуемых уровней модулилующейфункции.
Вгаььиеве внуюрмационного покоовонлт подоУэия пемехи и сигнала БРЛС воспользуемся функгией разоостисвлнаноонг выдтде согласованного фильтра (СФ) для НЛЧМ-сигнала и сигиааоподобнойпомехи:
7{1) = жси )-- яяр яр ( ). (8)
Идеальным согласованным фильтром для НЛЧМ сигнала является, как известно, комплексно-сопряженная со спектром сигнала функция. Тогда искомые функции выхода согласованного фильтра для НЛЧМ-сигнала и сигналоподобной помехи можно будет найти, яперемножив их комплексные спектры с комплексно-сопряженным спектром НЛЧМ-сигнала и выполнив обратное преобразование Фурье. Схема имитационной модели для оценки точности формирования сигналоподобныхпомехбортовым РЛС представлена на рис. 1.
- 478 -
Рис. 1. Схема имитационной модели для оценки точности формирования сигналоподобных помех бортовым РЛС
Рис. 2. Нормированные модулирующие функции сигналов с ЛЧМ (1) (для сравнения), гармонического НЛЧМ (2) идетектированногоНЛЧМпосле квантования(З)
На рис. 2 изображены нормированные модулирующие функции сигналов с ЛЧМ (1) (для сравнения), гармонического НЛЧМ (2) и детектированного НЛЧМ после квантования (3) с раз- 479 -
Рис. 3. Нормированные амплитудные спектры НЛЧМ сигнала (1) и сигналоподобной помехи (2), воспроизведенной с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики детектора Кл=0.2, КВ=2
БтяжСФф
/2
W^л/А^д к ) j 1 t WW I
а б
Рис. 4. а - сигналы на выходе СФ НЛЧМ (1) и сигналоподобной помехи (2); b - функция оценки в норшфованном виде для базыВ=300 зондирующего сигнала БРЛС
рядностью АЦПр=6(число квантуемых уровней моду лиру ющейфункцинпри этом составит 26=64) с параметрами: длительность импульса 1 мс, тА=30 (для повышения наглядности графика), тг=1. На рис. 0 пдкаскеынордироварные амплнтудоые еонктрыНЛЧМ-сиенала (1) и сигналоподобной помехи (2),еоспреизведенлой о перееномерностьюпастотной характеристики дрректорт МФ ,^4=0.^.^=2.
Слнктр нигналдподарной домтои покхран смеще=нымпок рыопет нао^доичетливо ви-ошибок детектирования в фоому спеатра. Мене линыеаниевыпклнялось на про-мелутдиной чаетотеРДО кГн. ДКо ркс. 0а показкыысигналы до выкодсСФНЛЧМ (1) и сигна-лоптлебной поыепи (2), на рис. 46 - функция оценки для базы В=300 зондирующего сигнала БРЛС.
Исследование оценки точности формирования сигналоподобнойпомехи
На сис . 5показопы норииро ванные агибающиег иотограммр арпределений оценки (Hist(y)) дляследиющих пприметров модели: 0азасирналаВ=103,раздядсость АЦП р=5(3),6(2),7(1), ко-эфИицие нт амплитудной неравномерности АЧХдетепиеин МФ асс=0;05, на рис. 6 - база сигнала Л=100, потрядндсос АЦП р=5, коэф фициензы тмплааудизй анразпомерности АЧХ детектора МФ 304=Н,С5(1); 0Д(Р); Т ,2(3). По зсияИсцисс оотаженыиомерзинтервалов int, в которых распределена функция оценки у(/). Границы интервалов вычислялись по формуле
. г , шахЩ)]-min[(t)] , intk = min|/(t)J+-u v 'N-'k, (9)
где N - чиско пнтееталоо; к - порядоовый номер иниедвалс [6]. Распределение оценки соот-ветствоет разпеаедстению Кошо с ризличнымп параметрреи рарпоронненияиформы с веро-ятностию 0,98С nie деитнрию Пиелана. Ие ррчдсаавлвнных завдсимосрейвииоо;чтоДрл9шую
0.8 0£ 0.4 1
2 3
U2
Рис. 5. Нррмироденныдигиеающиег-спогрормдаспреденепи9 еоеерр: Дсвесигаллл B=1H0, ррзмвдность АЦП р=5(3),6(2),7(1), коэффициент амплитудной неравномерности АЧХ детектора МФ КА=0,05
) Off 0.6 0.4
1
2
3
Рис. 6. НормированныеегиРрющиесистограммраспределени9оценги: Оаервигсала 1Г^^(]0] разрядность АЦП р=Р,коэффициентыенпвитр8н-й нероррсдернотткАЧХдетенррраМФ.К)4=0)0е(1); Л,1(2р 0,2(3 )
Рис. 7. Нормированные огибающие гистограмм распределений оценки: В=500, разрядность АЦП р=5(3),6(2),7(1),коэффициентамплитудной неравномерностиАЧХдетектораМФ КА=0,05
Рис. 8. Нормированные огибающие гистогрампт расннедепенийоценки:В=50О, разрядностьАЦП р=5, коэффициента амплитудной гитавгнмеыности АбХ детениераМФ К==0,Г5Г1);0Д (2); 0 ,2(3)
ошибку в оценку точности формирования сигналоподобных помех вносит неидеальность АЧХ детектора модулирующей функции, а не разрядность АЦП синтезатора помехи. Приемлемая точность сигналоподобной помехи для базы зондирующих сигналов БРЛС В=50-150 может быть достигнута при разрядности АЦП не менее 5 и коэффициенте амплитудной неравномерности АЧХ детектора МФ, не превышающем значения КА=0,1.
На рис. 7 показаны нормированные огибающие гистограмм распределений оценки для сигнала с базой В=500, разрядность АЦП р=5(3),6(2),7(1), коэффициент амплитудной неравномерности АЧХ детектора МФ КА=0,05, на рис. 8 - для сигнала с базой В=500, разрядность АЦП р=5, коэффициенты амплитудной неравномерности АЧХ детектора МФ КА=0,05(1); 0,1(2); 0,2(3). Характер распределения оценки остается таким же, наблюдается изменение параметра расположения. С увеличением базы сигнала требования к точности формирования помехи снижаются - очевидно, что сказывается выигрыш от большего сжатия сигнала в согласованном фильтре. По-прежнему неидеальность АЧХ детектора модулирующей функции вносит большую ошибку в оценку точности, однако коэффициент амплитудной неравномерности АЧХ де-
тектора может достигать значения КА=0,2, точность формирования сигналоподобной помехи остается при этом на приемлемом уровне.
Заключение
Таким образом, разработана методика и получена оценка точности формирования сигна-лоподобных помех НЛЧМ-сигналам бортовых РЛС для различных значений коэффициентов амплитудной неравномерности АЧХ детектора модулирующей функции сигналов и разрядности АЦП цифрового формирователя сигналоподобной помехи. Установлено, что приемлемая точность сигналоподобной помехи для базы зондирующих сигналов БРЛС В=50-150 может быть достигнута при разрядности АЦП не менее 5 и коэффициенте амплитудной неравномерности АЧХ детектора, не превышающем значения КА=0,1. С увеличением базы сигнала требования к точности формирования помехи снижаются - коэффициент амплитудной неравномерности АЧХ детектора МФ может достигать значения КА=0,2 при разрядности АЦП р=7.
Список литературы
[1] Антипенский Р.В., Козирацкий Ю.Л. Оценка ошибки детектирования частотно-модулированных сигналов в присутствии помех. Радиотехника, 2008, 22, 19-24 [Antipensky R.V., Koziratsky Y.L. Estimation of the error of the detection frequency-modulated signals with interference. Radiotechnics, 2008, 22, 19-24 (in Russian)]
[2] Антипенский Р.В., Козирацкий Ю.Л. Оценка точности воспроизведения сигналов с линейной частотной модуляцией. Радиотехника, 2009, 23, 15-19 [Antipensky R.V., Koziratsky Y.L. Estimation to accuracy of the reproduction signal with linear frequency modulation. Radiotechnics, 2009, 23, 15-19 (in Russian)]
[3] Добыкин В.Д., Куприянов А.И. и др. Радиоэлектронная борьба. Цифровое запоминание и воспроизведение радиосигналов и электромагнитных волн. М.: Вузовская книга, 2009. 360 с. [Dobikin V.D., Kuprianov A.I. Electronic warfare. Digital record and reproduction signal and electromagnetic waves. M., Vusovskaja kniga, 2009. 360 p. (in Russian)]
[4] Смирнов Ю.А. Радиотехническая разведка. М.: Воениздат, 2001. 456 c. [Smirnov Y.A. Radio intelligence. Moscow, Voenizdat, 2001. 456 p. (in Russian)]
[5] Лосев В.В., Бродская Е.Б., Коржик В.И. Поиск и детектирование сложных дискретных сигналов. М.: Радио и связь, 1988. 224 с. [Losev V.V., Brodskaya E.B., Korzhik V.I. Searching for and detection complex discrete signal. Moscow, Radio i svyaz, 1988. 224 p. (in Russian)]
[6] Richard C. Saffe. Random Signals for Engineers using MATLAB and Mathcad. Springer -Verlag, 2000. 376 p.
