CC BY
1
Key words: detection, polarization, filter, interference, algorithm.
Pafikov Evgeny Anatolyevich, candidate of technical sciences, docent, evgeniy [email protected], Russia, Penza, Branch of the Military Academy of Logistics (Penza),
Minakov Evgeny Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Tula, Tula State University,
Peteshov Andrey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, head of the department, peteshov [email protected], Russia, Cherepovets, Military University of Radio Electronics.
Ishkov Anton Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, asihkov@mail. ru, Russia, Penza, Penza State
University,
Elistratova Anna Grigoryevna, senior lecturer, Russia, Penza, Penza State University
УДК 621.396
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-418-419
ОЦЕНКА АДЕКВАТНОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПОСТРОЕНИЮ ДАЛЬНОСТНЫХ ПОРТРЕТОВ, ФОРМИРУЕМЫХ МНОЖЕСТВОМ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СИГНАЛОВ С ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ ОТ ИМПУЛЬСА К ИМПУЛЬСУ В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ДИАПОЗОНЕ
Р.Р. Саитбаталов, Е.И. Минаков, А.А. Куторов, В.М. Чайковский, О.Г. Земцова
В статье рассматривается адекватность математического моделирования на примерах, в которых продемонстрированно повышение разрешающей способности, при увеличении шага перестройки частоты от импульса к импульсу в зондирующем сигнале. Новизной проведенных исследований является выявленный новый дестабилизирующий фактор, оказывающий влияние на однозначность получения дальностного портрета при использовании сигналов с перестройкой частоты от импульса к импульсу.
Ключевые слова: комплексно-частотная характеристика, сигналы с перестройкой частоты, преобразование Фурье.
Введение. На современном этапе развития радиолокационных методов извлечения информации об воздушных объектах разработчиков радиолокационных систем уже не устраивают традиционные сведения о координатах и параметрах движения наблюдаемых целей. Переход к цифровым методам обработки отраженных сигналов расширил диапазоны измеряемых параметров объектов, что привело к появлению в разрабатываемых образцах локаторов особых режимов, позволяющих выявлять число объектов в не разрешаемом объеме, конфигурационные особенности объектов и т. д.
Оценка адекватности проведения эксперементальных исследований по построению дальностных портретов формируемых множеством источников вторичного излучения сигналов с перестройкой частоты от импульса к импульсу в ультразвуковом диапозоне. Данная информация необходима для принятия решений на организацию, подготовку и ведение боевых действий войск ПВО и позволяет определить класс, степень угрозы, боевой потенциал, тактическое назначение и другие особенности современных средств воздушного нападения (СВН). Так анализ войн и вооруженных конфликтов 20-21 века, а также проведение специальной военной операции на Украине показал, что основные тенденции в развитии СВН таковы, что воздушные цели (ВЦ) различного функционального назначения в пределах одного класса не имеют существенных различий по протяженности, но отличны по геометрическому расположению отдельных рассеивателей (рассеивающих центров (РЦ)) на поверхности планера.
Для извлечения информации о количестве РЦ и их координат используются радиолокационные изображения (РЛИ) воздушных целей, при этом всю совокупность РЛИ принято делить на одномерные и двухмерные (ДРЛИ) [1-51.
Построение ДРЛИ требуют высоких вычислительных затрат и к ним относят РЛИ по дальности и скорости (по частоте Доплера), по угловым координатам, дальности и азимуту и т.д., а к одномерным относятся дальност-ные портреты (ДлП) и доплеровские портреты (ДП). Дальностные портреты отображают распределение РЦ планера цели вдоль линии ее визирования, а ДП - в поперечном направлении. Однако применения ДРЛИ требуют высоких вычислительных затрат. Поэтому наиболее простыми и эффективными являются одномерные портреты.
В качестве ограничений в рамках данной статьи был рассмотрен процесс построения ДлП в качестве приоритетного, так как он отражает протяженность ВЦ по дальности, а в качестве способов его формирования выбран алгоритм, основанный на использовании зондирующих сигналов с перестройкой частоты (ПЧ) от импульса к импульсу [61. Данный способ построения дальностных портретов выбран не случайно, а из-за его устойчивости к прицельной помехе по несущей частоте и считается по мнению авторов одним из перспективных [7].
Для исследования процесса формирования ДлП с использованием сигналов с перестройкой частоты, в пакете прикладных программ MATLAB, была разработана математическая модель (ММ) согласно структурной схемы, представленной на рисунке 1.
Ьппк фврмнроБаннк зандиоиющего сигнала
Блок ОЮППИРПБЙННН
отраженного сигнала 14 иассеиваюшин центра]
впек выделения периодов сигнала
Блок согласованней оопаооткн
комплексной-часта гной
характеристики 1КЧН1
«оринпаванпе дапьностного портрета
Рис. 1. Структурная схема математической модели, отражающей этапы формирования ДлП на основе сигналов с перестройкой частоты
На первом этапе предлагаемой ММ предложено использовать следующие исходные данные необходимые для блока формирования зондирующих сигналов, где N - количество отсчетов в периоде, п = 1, N; / - несущая частота; Nи -количество отсчетов в импульсе; / - частота дискретизации АЦП; А/ -шаг перестройки частоты; Щ/ - количество частот, к = 1, Щ/ ■
На данном этапе, для удобства моделирования и повышения наглядности отображения графической информации, предложено представить зондирующий сигнал не в виде пачки импульсов, а виде отдельного набора комплексных сигналов представляющий собой матрицу X, согласно выражению (1) (рисунок 2):
^ ,п = ^
А/+к )■( п+1)
М
(1)
геа1(2к п)
А
п
Рис. 2. Пример формирования набора зондирующих сигналов в виде матрицы 2к п со следующими исходными данными: N = 500;/0 = Ю10;Ми = 250= 50 1010;Л/ = 100 106;М/ = 128.
геаЦБ
геа1(32Лп)
|?г2 - 21001
геа/СЯ 3„ „)
геа/(£4^,)
|г-3 = 2400]
4 — 2700]
Рис. 3. Пример работы блока формирования отраженного сигнала в предлагаемой ММ по построению даль-
ностных портретов
На втором этапе предлагаемой ММ предложено формировать отраженные сигналы, которые по аналогии с первым этапом размещаются с задержкой tz относительно начала координат. Сформированные таким образом модели отраженных сигналов позволяют получить наборы их комплексных амплитуд и могут быть представлены в виде матрицы Sk согласно выражению (2) (рисунок 3):
к
£к,п = е
].2-л( А/+к )■( п+И)
/Л
(2)
в предлагаемой ММ по построению суммарного отраженного сигнала
Для примера работы второго этапа на рисунке 3 изображены четыре набора комплексных амплитуд, полученных по выражению (2) в виде матриц £1кп, £2кп, £3кп, £4ки, с соответствующими задержками tz1 =
1970Дг2 = 2100Дг3 = 2400,tz4 = 2700 относительно начала координат.
В результате суммарный отраженный сигнал может быть представлен в виде суммы (суперпозиции) отдельных отраженных сигналов согласно следующему выражению (рисунок 4):
£итпЛ = £1к,, + £ 2к,, + £ 3к, + £ 4к,п. (3)
На третьем этапе предложено проводить межпериодную обработку выделяя каждый период из пачки отраженных импульсов, однако так как в предложенной ММ отраженный сигнал уже представлен в виде матрицы £итп к, то данную процедуру можно считать выполненной.
На четвертом этапе предложено проводить согласованную обработку используя матрицы Хкп и £итп к согласно следующему выражению:
' Ккп = ^к,п ® £иткп , (4)
где ® - обозначение операции свертки [8].
Результатом проводимых вычислений согласно выражению (4) будет матрица Кк в которой будут записаны наборы комплексных амплитуд, соответствующих согласованной обработке (рисунок 5).
Рис. 5. Пример работы блока согласованной обработки
Рис. 6. Пример работы блока выделения КЧХ
Рис. 7. Дальностный портрет, полученный при использовании сигналов с перестрой частоты на основе предложенной ММ
На пятом этапе предложено проводить процедуру выделения комплексной частотной характеристики (КЧХ), несущей в себе информацию о числе рассеивателей в отраженном сигнале, путем составления вектора Н к из
элементов матрицы Кк соответствующих максимальному отклику согласованной обработки (рисунок 6) [5].
На шестом этапе предложено проводить процедуру обратного дискретного преобразования Фурье (ОДПФ) над выделенной КЧХ по следующему выражению:
N/-1 (j2я:¡—
1 N -1 I,- 2^— I
= 1171 Нк • ехр^ ^1 (5)
¿У к=0
где 5 = 1, Щ .
В результате, на седьмом этапе будет сформирован дальностный портрет воздушной цели, где количество рассеивателей и их взаимное расположение друг относительно друга будут определять геометрическую конфигурацию и протяженность воздушного объекта (рисунок 7).
Анализируя рисунок 7, можно сделать вывод, что дальностный портрет сформированный таким образом имеет два рассеивателя в место четырех и не информативен, однако этот эффект возникает только тогда, когда взаимное расстояние между рассеивателями превышает длительность зондирующего импульса. При изменении исходных данных, таких как запаздывание отраженных сигналов относительно начала координат, = 1970,£г2 = 2040,£г3 = 2100,£г4 = 2200 дальностный портрет примет вид, представленный на рисунке 8.
Из рисунка 8 отчетливо видно четыре рассеивателя, что справедливо для условий разрешения отраженных сигналов от воздушной цели при использовании сигналов с ПЧ, которые не разрешалась бы на выходе согласованной обработки (рисунок 9).
Таким образом, предложенная математическая модель адекватна исходным условиям моделирования процесса формирования дальностных портретов на основе ПЧ, и также позволяет проследить влияние шага перестройки и количества частот на разрешающую способность.
Для примера на рисунке 10 представлен результат формирования дальностного портрета, полученного при предыдущих исходных условиях при Щ/ = 256.
160 140 120
20
и 0 20 40 60 ВО 100 120 140 s
Рис. 8. Дальностный портрет, полученный при использовании сигналов с перестрой частоты
на основе предложенной ММ при выполнении условий не разрешимости
800
150 k
О о
Рис. 9. Пример работы блока согласованной обработки при изменении параметров запаздывания отраженных сигналов = 1970Дг2 = 2040ДгЗ = 2100Дг4 = 2200
Рис. 10. Дальностный портрет, полученный при использовании сигналов с перестрой частоты на основе предложенной ММ при ДО/ = 256
п
Рис. 11. Формирование полного набора КЧХ
422
s
Анализируя рисунки 7-10, предложенная ММ позволила выявить новый дестабилизирующий фактор, выраженный в изменении амплитуд отраженных сигналов в сформированном дальностном портрете даже при отсутствии помех.
Для выявление причинно-следственных связей определяющих данный негативный эффект, был проведен анализ полного набора КЧХ получаемого при их выделении с каждого отсчета п, матрицы К (рисунок 11) по вы-
к ,п
ражению:
1 N/-1 Г у 2^—1
К = п ■ ехр1 Щ^ (6)
Щ к=0
В результате, бьшо выявлено, что построенный таким образом полный набор дальностных портретов представляет собой суперпозицию тел неопределенности ЛЧМ сигналов (так как использование сигналов с ПЧ является его имитацией) имеющий наклон, определяемый шагом перестройки и количеством частот.
Поэтому выделения комплексной частотной характеристики (КЧХ), несущей в себе информацию о числе
рассеивателей в отраженном сигнале, путем составления вектора Нк из элементов матрицы К^
соответствующих максимальному отклику согласованной обработки не всегда будет оптимальным решением и требует дальнейшего исследования и переосмысления в интересах повышения устойчивости формирования дальностных портретов.
Так, возвращаясь к рисунку 7, полученный дальностный портрет имеет в своем составе два рассеивателя, так как взаимное расположение первых двух отраженных сигналов дало максимальный отклик на выходе согласованной обработке, в результате сформированная КЧХ несла в себе информацию только о них (рисунок 12).
п
Рис. 12. Графические пояснения результата формирования дальностного портрета при Ьг! = 1970Дг2 = 2100ДгЗ = 2400Дг4 = 2700
При сближении отраженных сигналов, вероятность того, что именно несколько рассеивателей будут отдельно от остальных давать максимальный отклик на выходе согласованной обработке, снижается, повышая достоверность сформированной КЧХ, как описано на пятом этапе предложенной математической модели (рисунок 13).
Таким образом, достоверность полученного дальностного портрета напрямую определена взаимным расстоянием рассеивателей друг от друга. Для подтверждения адекватной работы, разработанной ММ и выделенных дестабилизирующих факторов, был проведен эксперимент по получению ДлП разного числа (от двух до трех) рассе-вающих центров, имитирующих сложную протяженную воздушную цель.
Разработана лабораторная установка на базе двух ультразвуковых датчиков MANORSШ 40 кГц, которые выполняли роль передающей и приемной антенны (рисунок 14).
В качестве аналого-цифрового преобразователя (АЦП) использовалась встроенная интегральная схема на
звуковой карте ЭВМ позволяющая оцифровывать входной сигнал на частоте 192 кГц.
Рис. 13. Графические пояснения результата формирования дальностного портрета при = 1970Дг2 = 2040ДгЗ = 2100Дг4 = 2200
Рис. 14. Приемо-передающий модуль лабораторной установки на базе двух ультразвуковых датчиков
MANORSHI40 кГц
Для сопоставления условий эксперимента реальным условиям локации лабораторная установка была перемещена в безэховую камеру, где в качестве рассеивающих центров использовались уголковые отражатели (рисунок 15) и предложены два варианта проведения эксперимента, а именно для двух и трех рассеивателей.
Рис. 15. Имитация сложного отраженного сигнала в безэховой камере: а - два рассеивателя;
б - три рассеивателя
С помощью пакета прикладных программ МАТЬАВ были сформированы сигналы с перестройкой частоты, представляющие собой пачки импульсов, включающих в себя 32, 64, 128 и 256 импульсов. Причём длительность импульса составляла 0,005 с, период между импульсами в пачке был равен 0,025 с, шаг перестройки частоты был равен 25 Гц, начальная частота перестройки соответствовала 36800 Гц.
С помощью ультразвуковых датчиков данные сигналы были излучены в пространство и приняты для дальнейшей обработки. На рисунке 16 показаны результаты обработки, на которых визуально видно разрешение двух рассеивающих центров.
Рис. 16. Результаты оценки полного набора КЧХ, полученного на основе проведенных экспериментальных
исследований для 32, 64, 128 и 256 импульсов в пачке
п
Рис. 17. Результаты экспериментального формирования дальностного портрета для двух рассеивателей
/1 //А
X
5
п
Просочившийся зондирующий сигнал
Рис. 18. Результаты экспериментального формирования дальностного портрета для трех рассеивателей
Выделение дальностных портретов согласно алгоритму, представленному на рисунке 2 и характеризующего предлагаемую ММ позволили получить дальностные портреты, соответствующие взаимному расположению двух (рисунок 17) и трех (рисунок 18) рассеивателей соответственно.
Заключение. Анализ положения откликов дальностных портретов соответствовали взаимному удалению уголковых отражателей друг относительно друга, что доказывало адекватность проведенных экспериментальных исследований и моделирования.
Список литературы
1. Стайнберг Б.Д. Формирование радиолокационного изображения самолета в диапазоне СВЧ // ТИИЭР. 1988. № 12. Т. 76.
2. Кононов А.Ф. Применение томографических методов для получения радиолокационных изображений объектов с помощью сверхширокополосных сигналов // Зарубежная радиоэлектроника. 1991. № 1.
3. Митрофанов Д.Г. Метод построения радиолокационных изображений аэродинамических летательных аппаратов // Полет. 2006. № 11. С. 52 - 60.
4. Майоров Д.А., Савостьянов В.Ю., Митрофанов Д.Г. Измерение радиальной скорости воздушных объектов в режиме перестройки частоты // Измерительная техника. 2008. № 2. С. 43 - 47.
5. Митрофанов Д.Г. Формирование двумерного радиолокационного изображения цели с траекторными нестабильностями полета // Радиотехника и электроника. РАН. 2002. Том 47. № 7. С. 852 - 859.
6. Митрофанов Д.Г. Перспективы развития радиолокационной техники при использовании сигналов с перестройкой частоты. Труды 13-й Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности». Том 1. СПб.: НПО специальных материалов, 2010. С. 250 - 257.
Саитбаталов Рим Рифович, адъюнкт, [email protected], Россия, Смоленск, ВА ВПВО ВС РФ,
Воротилин Михаил Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, проректор ТулГУ, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Куторов Артур Алексеевич, канд. техн. наук, преподаватель, [email protected], Россия, Пенза, Филиал Военной академии материально-технического обеспечения (г. Пенза),
Чайковский Виктор Михайлович, доцент, [email protected], Россия, Пенза, Пензенский государственный университет,
Земцова Ольга Григорьевна, канд. техн. наук, доцент, Россия, Пенза, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
ASSESSMENT OF THE ADEQUACY OF CONDUCTING EXPERIMENTAL RESEARCH ON CONSTRUCTION OF RANGE PORTRAITS OF SIGNALS FORMED BY MANY SOURCES OF SECONDARY EMISSION OF SIGNALS FREQUENCY TUNING FROM PULSE TO A PULSE IN THE ULTRASONIC RANGE
R.R. Saitbatalov, E.I. Minakov, A.A. Gutorov, V.M. Tchaikovsky, O.G. Zemtsova
The article relates adequacy of mathematical modeling is shown on examples in which an increase in resolution is demonstrated with an increase in the frequency tuning step from pulse to pulse in the probing signal. The novelty of the conducted research is the revealed new destabilizing factor that affects the uniqueness of obtaining a range portrait when using signals with frequency tunability from pulse to pulse.
Key words: complex frequency response, frequency agile signals, Fourier transform.
Rim Rifovich Saitbattalov, adjunct, [email protected], Russia, Smolensk, VA VPVO of the Armed Forces of the Russian Federation,
Vorotilin Mikhail Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, vice-rector of TulSU, Russia, Tula, Tula State University,
Gutorov Artur Alekseevich, candidate of technical sciences, lecturer, [email protected], Russia, Penza, Branch of the Military Academy of Logistics (Penza),
Tchaikovsky ViktorMikhailovich, docent, [email protected], Russia, Penza, Penza State University,
Zemtsova Olga Grigoryevna, candidate of technical sciences, docent, Russia, Penza, Penza State University of Architecture and Construction
