CC BY
394
УДК 621.376.56
ПРИМЕНЕНИЕ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНЫМ ЗАКОНОМ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОЙ МАНИПУЛЯЦИИ В РЛС ОБЗОРА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
К.Л.Ефимов, И.Н.Жукова, А.С.Харечкин
APPLICATION OF WIDEBAND SIGNALS WITH PSEUDORANDOM AMPLITUDE-PHASE KEYING IN THE EARTH'S SURFACE SURVEILLANCE RADAR
KL^fimov, I.N.Zhukova, ^S^are^m
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected]
Рассматривается применение сложных сигналов с псевдослучайным законом амплитудно-фазовой манипуляции в РЛС обзора земной поверхности. Исследуется метод их сегментной обработки для решения задач построения радиолокационных изображений. Проводится сравнительный анализ результатов моделирования обработки сигналов в режимах реального луча, доплеровского обужения луча и синтезирования апертуры.
Ключевые слова: радиолокационные системы, сложные сигналы, радиолокационные изображения, режим реального луча, доплеровское обужение луча, синтезирование апертуры антенны
The application of wideband signals with pseudorandom amplitude-phase keying in the earth's surface surveillance radar is considered. The method of their segment processing for the solution of a problem of radar imaging is researched. A comparative analysis of simulation results of signal processing in real-beam, sharpening beam and synthetic aperture modes is conducted. Keywords: radar systems, wideband signals, radar image, real-beam mode, Doppler beam-sharpening, antenna aperture synthesis
Введение
В настоящее время в радиолокационных станциях (РЛС) обзора земной поверхности широко применяются когерентно-импульсные сигналы [1]. Сигналам данного вида присущи ограничения на размеры зоны обзора подстилающей поверхности, связанные с наличием пиков неоднозначности их функции неопределенности (ФН). Альтернативой являются ампли-тудно-фазоманипулированные (АФМ) сигналы с псевдослучайным законом амплитудной манипуляции. В этом случае зондирующий сигнал большой длительности излучается отдельными модулированными по фазе посылками с относительно малой переменной длительностью и с интервалом следования, не согласованным ни с просматриваемой наклонной дальностью, ни с размером области обзора земной поверхности по азимуту. Прием эхо-сигналов осуществляется в паузах излучения. Длительности фазома-нипулированных посылок и пауз в излучении изменяются по псевдослучайному закону с малым пик-фактором, равным 5^6. Функция неопределенности АФМ-сигнала обладает кнопочной формой с практически плоским «пьедесталом». Отношение главного пика к уровню боковых лепестков ФН в широком диапазоне задержек и доплеровских сдвигов частоты увеличивается с увеличением базы сигнала. Псевдослучайная структура обеспечивает прием эхо-сигналов во всем диапазоне частотно-временных сдвигов, без пиков неоднозначности и «слепых» точек по задержке и, следовательно, снимаются ограничения на размер зоны обзора земной поверхности. Это делает применение данных АФМ-сигналов особенно актуальным при маловысотном полете носителя. Подстройки параметров зондирующего АФМ-
сигнала при изменении дальности или азимута до просматриваемого участка поверхности не требуется. Размер зоны обзора определяется только параметрами диаграммы направленности антенны (ДНА) и скоростью движения носителя. В то же время увеличение длительности когерентного накопления, ведущее к увеличению базы АФМ-сигналов и, как следствие, к снижению уровня боковых лепестков функции неопределенности, позволяет не только увеличить линейную разрешающую способность РЛС обзора поверхности, но и повысить контрастность получаемого радиолокационного изображения.
При обзоре земной поверхности выделяют [2] три режима: режим реального луча (РЛ), режим доп-леровского обужения луча (ДОЛ) и режим фокусированного синтезирования апертуры (ФСА) антенны за счет движения носителя. Режим РЛ применяется для выделения контрастных, больших по размеру объектов в ходе быстрого сканирования поверхности диаграммой направленности. Обработка сигналов при этом сводится к когерентной корреляционно-фильтровой обработке сигналов малой длительности и последующему некогерентному накоплению результатов. Однако удовлетворительной разрешающей способности по азимуту в режиме РЛ получить не удается. Требуется увеличение времени когерентной корреляционно-фильтровой обработки отраженных сигналов и переход тем самым к режиму ДОЛ. Тактически режим ДОЛ также применяется для быстрого сканирования и формирования радиолокационных изображений участков поверхности. Дальнейшее увеличение времени когерентного накопления ведет к необходимости учитывать, по крайней мере, квадратичный набег фазы отраженных сигналов, обусловленный движением носителя и изменением вследст-
вие этого расстояния до соответствующих элементов разрешения подстилающей поверхности. Данное требование реализуется в режиме ФСА. Фокусированный синтез апертуры при движении носителя РЛС применяется для получения детальных радиолокационных изображений поверхности с высоким разрешением. При этом линейная частотная демодуляция, компенсирующая квадратичный набег фазы, в пределе должна быть произведена отдельно для каждого разрешаемого участка поверхности с учетом изменения траектории движения носителя.
Большой интерес представляет анализ особенностей обработки АФМ-сигналов в РЛС обзора земной поверхности и сопоставление результатов моделирования.
Особенности обработки сложных сигналов с псевдослучайным законом амплитудно-фазовой манипуляцией в РЛС обзора земной поверхности
Комплексная огибающая АМФ зондирующего сигнала длительностью Т, состоящего из N элементарных импульсов длительностью т0, N = Т/т0 , определяется дискретной последовательностью ж. е {0,+1},
г = 0, N -1, задающей закон амплитудно-фазовой манипуляции. Коммутации передающего и приемного трактов однозначно определяются взаимно инверсными (ортогональными) псевдослучайными последовательностями х. = |ж.| и хк. = 1 - х . Длительность т0
г I г I г г
элементарного импульса однозначно задает разрешающую способность системы по наклонной дальности 5d , а длительность Т когерентного накопления — разрешающую способность по доплеровскому сдвигу частоты 5/ = 1/Т . В пределах ширины ДНА разрешение по азимуту 5р , можно считать, линейно связано с
5/ выражением 5р *
X
2Ур
■ 5/, где X — длина волны,
Ур — скорость носителя. Поэтому разрешение точечных объектов по азимуту допустимо заменить разрешением по доплеровскому смещению частоты. Отметим, что с величиной 5р связана линейная разрешающая способность 51, как произведение 5р на наклонную дальность до рассматриваемой точки поверхности.
Обработка сигналов с псевдослучайной структурой огибающей в диапазоне М задержек и К допле-ровских сдвигов частоты реализуется многоканальным устройством в два этапа.
На первом этапе осуществляется предварительная фильтрация наблюдаемого сигнала, включающая сжатие сегментов сигнала длительностью Ts = Ns -х0 в рабочем диапазоне дальностей
(к+1)-Ns-1
г , = > у ■ хк ■ h0 ■ ж , (1)
т,к / : г г г г - т' 4 '
=к ■ Ns
где к. — отсчеты комплексной огибающей наблюдаемого сигнала, И0 = е К J — отсчеты комплексной огибающей сигнала, определяющего закон компенсации собственной скорости носителя с учетом азимутального направления главного лепестка ДНА, кн — бин доплеровского сдвига частоты сигнала по оси главного лепестка ДНА.
На втором этапе на основе БПФ размерности К выполняется спектральная обработка сжатых сегментов сигнала
К-1
ЭТнфс , = 7 г
т т к / , т
2л ,
- }К}к
(2)
1 =о
Длительность сегмента определяется диапазоном доплеровских сдвигов частоты сигналов, отраженных от движущихся объектов. Отражениям от подстилающей поверхности в этом случае соответствует более узкий диапазон доплеровских сдвигов частоты. И только КНФС из К, КНФС < К , результатов
вычисления БПФ каждой дальности могут быть использованы для построения радиолокационного изображения поверхности. Отметим, что алгоритм обработки не позволяет однозначно определить скорость движущихся объектов и их азимутальное положение.
Функциональная схема обработки в пределах одного цикла когерентного накопления представлена на рис.1.
Схема может быть использована как в режиме РЛ, так и в режиме ДОЛ. Отличие режимов заключается в длительности когерентного накопления. Увеличение Т в режиме ДОЛ приводит к повышению линейной разрешающей способности. Длитель-
е
X
X
Г 1
х.
h0 .
Канал обработки одной дальности
Блок сжатия сегментов
X -»I
т
• *
ж .
г — т
N
7 ->
Спектральная обработка
№нфс
Рис.1. Функциональная схема корреляционно-фильтровой обработки АФМ сигналов в режимах РЛ и ДОЛ
к
ность сегмента при этом сохраняется, а число каналов КНФС, создающих одну полосу дальности радиолокационного изображения, увеличивается. В режимах РЛ и ДОЛ осуществляется нефокусирован-ный синтез апертуры антенны, поскольку в выражении (2) учитывается только линейный набег фаз отражений. Дальнейшее увеличение Т, согласно [1]
л/^Ч
T > Тнфс
2 Ур
ё — наклонная дальность,
требует учитывать квадратичный набег фазы отраженных сигналов, что реализуется в режиме ФСА.
Поскольку число каналов КфС, создающих
одну полосу дальности радиолокационного изображения в режиме ФСА, можно представить произведением КфС = КНФС • Кс , где Кс — некоторое число, то алгоритм обработки в режиме ФСА состоит в умножении М х КНФС результатов режима ДОЛ на
множитель hm ., компенсирующий квадратичный
набег фазы, и второго этапа спектральной обработки Кс циклов зондирования:
Кс-1
9 фс
нфс . „ • h е 1 К
^ т1КНФС+к m, 1
-1К ЛксКНФС+к)
1=0
кс = 0. Кс-1.
(3)
При этом линейная частотная демодуляция, компенсирующая квадратичный набег фазы, в пределе должна быть произведена отдельно для каждого разрешаемого участка поверхности с учетом изменения траектории движения носителя. При условии, что за время синтезирования изменение расстояния от носителя до отдельных отражателей не превышает половины разрешающей способности по дальности, а допустимый набег фазы отраженного сигнала на краях апертуры относительно ее центра не превышает я/ 4, линейную частотную демодуляцию можно выполнить с применением одного опорного
ТнФ9шх , _
,4я Ур2 \к • Тнфс + i• т0)2^
сигнала ¡1 =
х0
= 2
ехр
г=0
1
2 • т • 8г
1-
кн
2УрТ
2
для группы каналов с одноименной дальностью.
Модификация функциональной схемы обработки в режиме ФСА представлена на рис.2.
Включение блока фокусированного синтеза дает возможность применения корреляционно-фильтровых устройств первичной обработки АФМ-сигналов в РЛС обзора земной поверхности с высоким разрешением по азимуту.
Моделирование обработки АФМ сигналов с псевдослучайной структурой огибающей в РЛС обзора земной поверхности
Значения функции 9(т, к) должны с точностью до некоторого постоянного множителя соответствовать интенсивности отражений от соответствующих (т,к)-х разрешаемых по задержке и доп-леровскому сдвигу частоты (азимуту) участков поверхности. Иными словами, обработка должна сохранять соотношение мощностей между компонентами аддитивной смеси отражений от подстилающей поверхности. Моделирование позволяет оценить возможное качество изображений, которые могут быть получены при применении АФМ сигналов с псевдослучайной структурой огибающей.
Пусть в пределах следа ДНА поверхность обладает неровностью, напоминающей шахматную доску. Отраженный сигнал представлен суммой сигналов, отраженных от участков поверхности одинаковой малой площади. Сигналы соседних 20 участков поверхности по дальности и 10 участков поверхности по азимуту образуют группу отражений одинаковой интенсивности. Общее число отражателей, моделируемых в пределах следа ДНА, равно 14400. При этом мощности отражений соседних групп отличаются на 48 дБ.
Результаты обработки сигналов в режиме РЛ представлены на рис.3, в режиме ДОЛ — на рис.4, а в режиме ФСА — на рис.5.
В режиме РЛ при длине зондирующего сигнала N = 250000 полученное изображение размыто, очертания формы поверхности плохо различимы. С увеличением N до 750000 в режиме ДОЛ проявляются очертания поверхности, четко различимы участки поверхности с повышенной и пониженной интенсивностью отражений. Переход к режиму ФСА, N = 3031000, позволяет получить наиболее контрастное радиолокационное изображение.
Рис.2 Функциональная схема обработки АФМ сигналов в режиме ФСА
к
Н.у
1' I1 ■ .1 и
Инфстк |,дБ
100
2 ПС
т
т
Рис.3. Результаты обработки сигналов в режиме РЛ
к.
Янфст,к ИБ
»■л
т
.V-V
Т"
100
"Т"
200
т
Рис.4. Результаты обработки сигналов в режиме ДОЛ
к
Рис.5. Результаты обработки сигналов в режиме ФСА
Диапазон обрабатываемых задержек и допле-ровских сдвигов частоты выбран больше размера следа ДНА, что позволяет судить об уровне взаимных помех, создаваемых отражениями от подстилающей поверхности и ограничивающих предельно возможный динамический диапазон получаемого радиолокационного изображения. В диапазоне задержек вне следа ДНА уровень взаимных помех зависит от уровня боковых лепестков ФН и суммарной мощности отражений от подстилающей поверхности. Поэтому при среднеквад-ратическом уровне боковых лепестков ФН АФМ сигнала длиной N = 250000, равном -54 дБ относительно главного пика, нормированный уровень взаимных помех не превышает -30 дБ. С увеличением базы сигнала уровень боковых лепестков ФН снижается, что ведет к
снижению фона помех. Для N = 3031000 отношение главного пика к уровню боковых лепестков ФН составляет 64,8 дБ, а уровень фона помех -35 дБ.
В пределах частотно-временной области, соответствующей следу ДНА, взаимные помехи зависят еще и от режима обзора поверхности. В режимах ДОЛ и РЛ, когда компенсация квадратичного набега фазы не производится, уровень взаимных помех в частотных каналах обработки одноименной дальности повышается. Контрастность радиолокационного изображения снижается. При этом в частотных каналах, соседствующих с каналами обработки отражений от следа ДНА, наблюдается повышение уровня сигнала.
При обработке сигналов в режиме ФСА наблюдается искажение формы прямоугольных участ-
ков поверхности с одинаковой интенсивностью отражений. Искажение формы усиливается с увеличением дальности. Этот эффект объясняется тем, что время синтезирования одинаково для всех полос дальности. Поэтому линейная разрешающая способность ухудшается с увеличением дальности. Устранение этого недостатка требует разработки методов обработки с переменной длительностью когерентного накопления в зависимости от дальности до разрешаемых участков поверхности.
Выводы
Использование АФМ-сигналов с псевдослучайным законом амплитудной манипуляции в РЛС обзора земной поверхности снимает ограничения на размеры зоны обзора подстилающей поверхности, связанные с эффектом неоднозначности, присущим сигналам с периодической структурой. Значительное время синтезирования и, как следствие, большая база сигнала снижают значимость основного недостатка сигналов данного типа, связанного с фоном помех,
создаваемых отражениями по боковым лепесткам ФН. Организация обработки сигналов в режиме синтезирования апертуры требует включения после корреляционно-фильтровых устройств обработки АФМ-сигналов блоков, учитывающих квадратичный набег фазы.
1. Дудник П.И., Ильчук А.Р., Татарский Б.Г. Многофункциональные радиолокационные системы: Учеб. пособие для вузов. М.: Дрофа, 2007. 288 с.
2. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / В.Н.Антипов, В.Т.Горяинов, А.Н.Кулин и др.; Под ред. В.Т.Горяинова. М.: Радио и связь, 1988. 304 с.
Bibliography (Transliterated)
1. Dudnik P.I., Il'chuk A.R., Tatarskii B.G. Mnogofunk-tsional'nye radiolokatsionnye sistemy: Ucheb. posobie dlia vuzov. M.: Drofa, 2007. 288 s.
2. Radiolokatsionnye stantsii s tsifrovym sintezirovaniem apertury antenny / V.N.Antipov, V.T.Goriainov, A.N.Kulin i dr.; Pod red. V.T.Goriainova. M.: Radio i sviaz', 1988. 304 s.
