Синтез алгоритма обнаружения цели, совмещенного с устранением неоднозначности по дальности∗ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.96

В. И. Кошелев, В. А. Белокуров

Рязанский государственный радиотехнический университет

Синтез алгоритма обнаружения цели,

*

совмещенного с устранением неоднозначности по дальности

Рассмотрен способ межобзорной обработки, позволяющий повысить энергетическую дальность обнаружения целей радиолокационной системой при устранении неоднозначности по дальности.

Вобуляция периода повторения, гипотезы движения цели, неоднозначность по дальности

Современные бортовые радиолокационные системы (РЛС) являются многофункциональными устройствами. В них сочетаются возможности обнаружения и измерения параметров как воздушных, так и наземных целей. Одним из основных режимов работы системы является режим высокой частоты повторения импульсов (ВЧПИ) [1], для которого характерны небольшая импульсная мощность излучения, однозначное измерение радиальной скорости и неоднозначное измерение дальности до цели.

На рис. 1 показан фрагмент типовой схемы обнаружителя отраженных сигналов в режиме ВЧПИ. Обработка отраженных сигналов в указанном режиме строится по корреляционно-фильтровой схеме, реализующей многоканальность по скорости и по дальности. Количество скоростных каналов определяется числом излучаемых импульсов, а количество каналов по дальности - скважностью излучаемого сигнала. Корреляционно-фильтровая схема в каждом канале включает буферный регистр БР, блок быстрого преобразования Фурье БПФ, блок вычисления модуля ВМ спектра и пороговый обнаружитель ПО. Координаты обнаруженных отметок поступают в блок устранения неоднозначности по дальности БУНД, в котором за счет логической обработки указанная неоднозначность устраняется. С выхода БУНД отметки поступают для вторичной обработки радиолокационной информации в процессор данных ПД. Кроме того, ПД управляет такими блоками РЛС, как синтезатор частот, синхронизатор, передатчик.

Неоднозначность по дальности может устраняться межпачечной вобуляцией периода повторения импульсов [2]. Для этого при каждом угловом положении антенны последовательно излучаются две пачки импульсов, частоты повторения которых ^ и ^п2 имеют общую частоту субгармоники. Так как длительности импульсов в пачках совпадают, а число стробируемых каналов по дальности определяется скважностью импульсов, то число стробов по дальности в пачках будет различным.

При обнаружении цели (превышении :ПД порога в ПО) и измерении ее радиальной

Я щ

К й

о 3 я

О

Рис. 1

скорости в каждой из пачек в БУНД запоминается номер канала по дальности, в ко-

* Работа выполнена при поддержке Совета по грантам Президента РФ (грант МК-549.2010.8). 36 © Кошелев В. И., Белокуров В. А., 2012

тором произошло обнаружение, причем номера, определяемые в результате обработки двух пачек, могут различаться. Неоднозначность измерения дальности устраняется после анализа комбинации указанных номеров.

Рис. 2 поясняет метод устранения неоднозначности по дальности. Цифрами I и II обозначены пачки со скважностями Ql = 6 и = 4 и с периодами повторения импульсов Тй, и Тп2 соответственно (для удобства пояснения принципа работы пачки совмещены во времени). Непосредственно на диаграммах нанесены номера стробов и ЫсП. Количество стробов и интервалов /, в которые фиксируется попадание отклика от цели, определяется соотношением скважностей пачек и для соотношения 6:4 составляет 7. Временные задержки интервалов обозначены ^.

Алгоритм принятия решения о попадании отклика в определенный интервал представлен в таблице. Для устранения неоднозначности анализируются номера стробов в двух пачках, в которых обнаружена цель. Условием работоспособности рассмотренного метода является обязательное обнаружение цели в обеих пачках, что делает невозможным межпачечное накопление сигнала. В настоящей статье предлагается и исследуется алгоритм обнаружения с устранением неоднозначности по дальности при межпачечном накоплении.

Согласно [3] максимальная дальность действия импульсной РЛС //т.|х при когерентном накоплении пропорциональна величине 4ЫЕИ = 4РТпач , где N - число импульсов в пачке; Еи = Рити - энергия зондирующего импульса (Ри - импульсная мощность передатчика; ти - длительность зондирующего импульса); Р1 = Ри/Ql; Р2 = Ри/Q1 -средние мощности зондирующего сигнала в первой и во второй пачках соответственно; Тпач - время излучения зондирующей пачки. Согласно приведенному соотношению, если

в пачках излучается одинаковое количество импульсов, дальность действия РЛС не зависит от частоты их повторения в пачках, но длительность пачек оказывается различной. Если же длительности первой и второй пачек одинаковы, то максимальная дальность действия импульсной РЛС определяется пачкой с меньшим количеством импульсов. Например при показанном на рис. 2 соотношении скважностей импульсов 6:4, максимальная дальность дей-1 2 3 4 5 6 7 ствия определится пачкой со скважностью

6, а энергетический потенциал второй пачки не используется примерно на 4.7 %.

Т

п2

¿з7

¿з6

¿35

¿з4

¿з3

¿з2 _

¿з1

I 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

Тп1

II 1 2 3 1 2 3 1 2 3 —

Рис. 2

1 ЫС! Ысп Алгоритм

1 1 1 NсI = ЫсП

2 4 - Ыс1 = Q2; в пачке II нет обнаружения

3 5 1 NсI = ЫсП + Ш

4 2 Ысп = Ql - Q2;

в пачке I нет обнаружения

5 1 3 + Ql = Ыс„ + Q2

6 2 = 2Q2 - й;

в пачке II нет обнаружения

7 4 2 Ыа + Ql = Ысп + 2Q2

Рассмотрим алгоритм обнаружения цели в РЛС с межобзорной обработкой сигналов и устранением неоднозначности по дальности. В качестве модели сигнала цели на входе устройства обработки примем нормальный гауссовский процесс с параметрической априорной неопределенностью доплеровской фазы фс (производные фс считаем равными нулю). Входной процесс X = {ху} является аддитивной смесью флуктуирующих по амплитуде отражений от малоразмерной цели, пассивных помех (коррелированной составляющей мешающих отражений) и шума (некоррелированной составляющей) и описывается матрицей с размерами Ыс х Лф, где - количество стробов по дальности; Лф - число

фильтров по скорости [4]:

X =

Шо : ху = Пу ,

Н: ху = яу + Пу, г = пс; ху = Пу, г пс, г = 0, ..., -1; у = 0, ..., Лф -1.

где Но, Н} - гипотезы об отсутствии и о наличии сигнала соответственно; пс - строб по дальности, в котором находится цель.

Совместная функция правдоподобия при гипотезе Н имеет вид [4]:

(X) = С ехр

- х„

- 8 )н Я-1'

N -1

(Ч"8)- X

хН Я"1-

X;

г =0 г Фпг

(1)

где С - константа; хп - столбец матрицы X, соответствующий пс -му стробу по дальности; 8 - вектор сигнала, отраженного от цели; Я - корреляционная матрица шума приемника; хг - строки входного процесса X; н" - символ эрмитового сопряжения. При гипотезе Но совместная функция правдоподобия имеет вид

Щ0 (X) = С ехр

N -1

- X хНЯ-1хг

гн„-1

V г=о у

Логарифм отношения правдоподобия с учетом (1) и (2)

(2)

-1п

Щ0(1) (X(X)

,(2),

(3)

Ь(X) = 1п Щ(1) (X)Щ(2) (X) где Щ(1) (X), Щ( 2) (X) - функции правдоподобия для принятых на двух обзорах сигналов при гипотезе Н^ Щ)(1) (X), Щ)(2) (X) - то же при гипотезе Н).

После подстановки в (3) выражений (1), (2) и максимизации по неизвестным параметрам выражение для отношения правдоподобия имеет вид

Ь ( X ) = тах

8еБ

8?Я "1х(1К 8|Я "1х

1 П,- 2

8? Я-181

- +

>-Ц (2)

пс

Я "182

(4)

где В - область изменения возможных параметров цели по дальности и по скорости; 81, 82 - векторы отраженного от цели сигнала, полученного при излучении первой и второй

с

2

пачек соответственно; , - столбцы матрицы X, соответствующие пс-му стробу по

пс пс

дальности, полученные при излучении первой и второй пачек соответственно.

Рассмотрим принцип формирования гипотез о возможном расположении цели. На рис. 3 показаны стробы по дальности и фильтры по скорости в каждом из них, а также гипотезы г1 ...г9 о возможном расположения цели и несколько вариантов перемещения цели между периодами ее локации. Количество гипотез зависит от длины волны, маневренных возможностей цели, длительности первой и второй пачек импульсов (т. е. от ширины фильтра по скорости). По каждой гипотезе о возможном расположении цели строится отношение правдоподобия и решается задача проверки простой гипотезы о наличии цели против простой альтернативы ее отсутствия.

Поскольку априорное расположение цели по дальности неизвестно (результаты накопления первой пачки импульсов с порогом обнаружения не сравниваются), для формирования гипотез о возможном ее расположении создаются два цикла анализа: внешний -по стробам дальности, внутренний - по фильтрам скорости.

Особенностью формирования гипотез является необходимость учета однозначной взаимосвязи между стробами по дальности в первой и во второй пачках. Номера фильтров по скорости, соответствующие радиальной скорости цели, определяемые при обработке первой и второй пачек импульсов, связаны соотношением Ща = Пф2 (N1 Ыс 2 ), где Ща,

N

с1

'ф1

\

Л

уЧг!

г2 Чг4

Чг3

Ц2

N.

Вариант 1

N1

/

/ г

/

/

(

\

\

\

Чг1

Вариант 2 Рис. 3

Л

У

\\

кч>2 № V г8

№ *,г7

Чг4 Чз Чб

Вариант 3

I

Б

Пф2 - номера фильтров по скорости для первой и для второй пачек соответственно.

g, дБ -24 -19 -14 -9 -4 Рис. 4

0.6 Отличие синтезированного алгорит-

ма от алгоритма внутрипериодного анализа (см. рис. 1) заключается в том, что в

0 2

синтезированном алгоритме отсчеты ам-0 плитудного спектра поступают в блок формирования гипотез (БФГ) для вычисления логарифмов отношения правдоподобия по

каждой гипотезе о возможном расположении цели в скользящем окне. Длительность окна охватывает данные, полученные в результате обработки принятых сигналов первой и второй пачек импульсов.

Проверка эффективности предложенного алгоритма проведена методом экстремальных статистик [5] для двух случаев:

• длительности пачек одинаковы, отношение скважностей меньше 0.8 (в пачке с большей скважностью излучается меньше импульсов);

• длительности пачек различны, отношение скважностей меньше 0.8 (в пачках излучается одинаковое количество импульсов).

На рис. 4 представлены результаты моделирования при следующих условиях: число импульсов в обеих пачках 256, отношение скважностей первой и второй пачек 4:6 (длительности обеих пачек различны) и 5:6 (длительности обеих пачек одинаковы), вероят-

_з

ность ложной тревоги 10 ; число повторений опытов при вычислении порога обнаружения 10 000; число повторений опытов при вычислении вероятности правильного обнаружения 1000; скорость цели соответствует условию перемещения цели из одного строба по дальности в другой за время облучения двумя пачками импульсов.

На рис. 4 кривая 1 описывает зависимость вероятности правильного обнаружения для предложенного алгоритма и скважности 4:6, кривая 2 - для предложенного алгоритма и скважности 5:6, кривая 3 - для алгоритма обнаружения, реализуемого в схеме на рис. 1. Как следует из зависимостей, предлагаемый алгоритм обеспечивает выигрыш в пороговом отношении "сигнал/шум" до 3 дБ на фоне шумов при разных длительностях пачек и до 2.8 дБ при их одинаковой длительности с возможностью устранения неоднозначности по дальности.

В настоящей статье описан синтезированный алгоритм межобзорного обнаружения цели с возможностью однозначного измерения дальности. Применение данного алгоритма позволяет повысить дальность обнаружения цели в 1.3 раза. Реализация алгоритм межобзорного обнаружения цели в современных бортовых радиолокационных системах не требует изменения существующих аппаратных вычислительных средств и может быть выполнена изменением программных.

Список литературы

1. Бакулев П. А., Степин В. М. Методы и устройства селекции движущихся целей. М.: Радио и связь,

1986. 288 с. 40

======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2012. Вып. 3

2. Радиолокационные системы многофункциональных самолетов / под ред. А. И. Канащенкова и В. И. Меркулова: в 3 т. Т. 1. РЛС - информационная основа боевых действий многофункциональных самолетов. Системы и алгоритмы первичной обработки радиолокационных сигналов. М.: Радиотехника, 2006. 655 с.

3. Papoulis A. Probability, random variables and stochastic processes. New York: McGraw-Hill, 1991. 667 p.

4. Финкельштейн М. И. Основы радиолокации: учебник для вузов. М.: Радио и связь. 1983. 536 с.

5. Лихарев В. А. Цифровые методы и устройства в радиолокации. М.: Сов. радио, 1973. 456 с.

V. I. Koshelev, V. A. Belokurov Ryazan state radio engineering university

Synthesis of algorithm of detection of the purpose combined with elimination of ambiguity on range

A multiframe detection method allowing to raise power range of target detection by radar system with range estimation ambiguity is considered.

Repetition period wobbulation, target movement hypothesis, range ambiguity

Статья поступила в редакцию 19 июля 2011 г.

УДК 627.722.6

М. Р. Бибарсов, Е. В. Грибанов

Военная академия связи

Вероятность ошибочного приема навигационного сообщения в аппаратуре потребителя спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС в условиях возмущений ионосферы

Исследовано влияние возникающих в условиях возмущений ионосферы общих и частотно-селективных замираний принимаемого сигнала на вероятность ошибочного приема навигационного сообщения в аппаратуре потребителя СРНС ГЛОНАСС.

Спутниковая радионавигационная система, возмущения в ионосфере, замирания, вероятность ошибки

Передаваемое в радиосигналах спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС навигационное сообщение предназначено для проведения потребителями навигационных определений и планирования сеансов навигации [1]. Навигационное сообщение, передаваемое каждым навигационным спутником (НС), содержит оперативную и неоперативную информацию. Оперативная информация включает сдвиг шкалы времени НС относительно системной шкалы времени; относительное отличие несущей частоты излучаемого радиосигнала от номинального значения; эфемериды НС (координаты и параметры движения спутника на фиксированный момент времени); код метки времени, необходимой для синхронизации процесса извлечения навигационной информации в аппаратуре потребителя. Неоперативная информация содержит альманах системы.

В теории приема и обработки сигналов различают когерентную и некогерентную обработки. Оценки псевдодальностей и псевдоскоростей в приемнике сигналов СРНС могут быть получены как при когерентной, так и при некогерентной обработках сигналов. Выделение же навигационного сообщения возможно лишь в когерентном режиме [1].

© Бибарсов М. Р., Грибанов Е. В., 2012

41