CC BY
6УДК 681.883.074
В. Г. Валеев, В. А. Пьячев
Уральский государственный технический университет - УПИ
Снижение взаимного влияния гидролокационных станций методами селекции движущихся целей
Рассматривается эффективность снижения взаимного влияния однотипных гидролокаторов методами селекции движущихся целей, применяемыми на этапе внутри-периодной обработки сигналов.
Гидролокация, помехи взаимного влияния, селекция движущихся целей
В системах подводного наблюдения возможна одновременная работа нескольких однотипных гидролокационных станций (ГЛС), осуществляющих контроль подходов к различным защищаемым объектам, расположенным в одной акватории. При этом неизбежно взаимное влияние гидролокаторов, которое проявляется в появлении в области ожидаемых эхосигналов своей ГЛС прямых сигналов чужих ГЛС. Прямые сигналы имеют большой уровень мощности, значительно превышающий уровень собственных эхо-сигналов, могут их маскировать и дезинформировать оператора. Маскирование проявляется, если прямой сигнал чужой станции поступает на приемник одновременно со "своим" эхосигналом, затрудняя обнаружение последнего. При раздельном во времени приеме своего эхосигнала и прямого мешающего сигнала возможна дезинформация, если мешающие сигналы воспринимаются как свои эхосигналы.
При стационарном расположении ГЛС полезные эхосигналы от движущейся цели и прямые сигналы чужой ГЛС различаются по частоте. Эти различия можно использовать для подавления мешающих сигналов, применяя известные в радиолокации методы селекции движущихся целей (СДЦ) [1]. Однако простое копирование радиолокационных методов СДЦ в гидролокации невозможно хотя бы потому, что сигналы, отраженные в разных периодах зондирования, некогерентны. Поэтому методы СДЦ можно применять только на этапе внут-рипериодной обработки, что требует использования специальных зондирующих сигналов.
В настоящей статье проведен анализ возможностей внутрипериодной СДЦ для ГЛС, работающих с зондирующим сигналом в виде импульса с внутриимпульсной периодической линейной частотной модуляцией (ЛЧМ).
Рассмотрен зондирующий сигнал U (t) длительностью Тс, содержащий N периодов внутриимпульсной ЛЧМ. Длительность одного периода T^qM = Тс/N.
Зондирующий сигнал аналитически описывается следующими выражениями:
N
U (t) = A x Uлчм [t - (k -1) TM ]; 0 < t < Тс, k=1
где A - амплитуда сигнала; Uлчм (t) = cos (Юо - Дю/2) t' + (Дю/2ТЛчм ) t'2 ; 0 < t' < Тлчм; ®0 - центральная частота сигнала; Дю - девиация ЛЧМ.
34 © Валеев В. Г., Пьячев В. А., 2008
URX (t)
СФ
ФД ЧПВ
} cos (rngt)
U1 (t)
008
(ЦЛ)
Uc (t)
sin (Qct)
ФД 2 ЧПВ
} sin (fflgt)
U 2 (t)
sin (Qct)
121
í 2 + 2 p! + У 2
U
ВЫХ (tC, ^с )
У2
008
( Ц/ )
Рис. 1
Для получения эффективной селекции цели длительность Тс зондирующего сигнала должна удовлетворять условию Тс > 1//тт , где /тт - минимальный доплеровский сдвиг частоты для ожидаемого эхосигнала.
Приняв Тс = 1//'|пт и N »1, можно пренебречь изменением фазы отраженного сигнала под действием доплеровской частоты внутри одного периода ЛЧМ, а относительное изменение фазы в разных периодах ЛЧМ использовать для доплеровской СДЦ.
Рассмотрим внутрипериодную обработку сигнала в угловом канале гидролокатора, выполненном по схеме, представленной на рис. 1.
Принимаемый сигнал ивх (^) обрабатывается в фильтре, согласованном с одним периодом внутриимпульсной ЛЧМ. Сжатый сигнал ис 0) далее обрабатывается в двух квадратурных каналах. Квадратурные компоненты и 0) и и2 0) задерживаются на один период ЛЧМ Тм и вычитаются из своих незадержанных копий (череспериодное вычитание - ЧПВ): и (Г) = и (Г) - и (Г - ТЛЧМ ); и2 (^) = и2 (t) - и2 (Г - ТЛЧМ ) .
Таким образом осуществляется подавление сигналов мешающих станций. При вычитании принимаемые сигналы, амплитуда и фаза которых за время ТМ не изменяется, компенсируются, а сигналы от движущихся объектов дают на выходе разность, значение которой определяется набегом фазы Дф за период ЛЧМ ТдчМ : Дф = ^сТдчМ, где
- доплеровская частота эхосигнала.
Далее осуществляется когерентное накопление отраженного импульса и выделение огибающей результата накопления ивых (^, Ос) с учетом ожидаемого доплеровского
сдвига и времени прихода эхосигнала tс от цели [2]: ивых (^, ) у2 + , где
С/ -1-Т \ Л , т Л
У1 =
te +ТС
te +Тс
J U1 (t) cos Qctdt - J U2 (t) sin Qctdt
V le
J V le
E
+
J
+
J
r te +Тс
y2 = J U{ (t) cos nctdt + J U2 (t) sin nctdt
\
Эффективность селекции движущихся целей по схеме на рис. 1 была исследована методом моделирования в среде МайаЬ 7.0 с применением компьютерного имитатора полей сигналов и помех, разработанного в Научном центре волновых исследований Института общей физики РАН [3].
Имитатор формировал сигналы на приемной антенне в виде временных отсчетов, представляющих выборку из аддитивной смеси полезного и мешающего сигналов. В полезный сигнал вводился доплеровский сдвиг частоты /с изменением масштаба времени,
т. е. частоты взятия временных отсчетов. Коэффициент масштабирования к = 1 + 2 Vе, где V — скорость движения цели; с - скорость звука в воде.
Полезные сигналы формировались с доплеровским сдвигом частоты в диапазоне / = (50... 450) Гц , а мешающие сигналы — в диапазоне /м — (0... 20) Гц. Введение доп-
леровского сдвига частоты в мешающие сигналы позволяет учесть медленные колебания положения ГЛС, не имеющих в стационарной позиции жесткого крепления.
Моделирование проводилось при следующих условиях: Тс = 20 мс; Тлчм = 2 мс; /0 = 75 кГц; А/ = 30 кГц . За показатель эффективности СДЦ был принят коэффициент улучшения отношения "сигнал/помеха" К = qвЬIX/qвх . Отношение "сигнал/помеха" на выходе схемы обработки qвых определялось уровнями накопленных сигналов ивых (¿с, ) и ивых (¿м, ), соответствующих полезному и мешающему сигналам на
входе согласованного фильтра, как отношение qвых = и^ых (¿с, Ос )/и^ых (¿м, Ом ).
На рис. 2 представлены зависимости ивых от времени в диапазоне ожидаемых задержек при = 2п- 250 рад/с для полезного и = 0 для мешающего эхосигналов, поступающих с разных дистанций.
Зависимости коэффициента улучшения от доплеровской частоты полезного эхо-сигнала при /м = 0 (Глчм = 2 мс) приведены на рис. 3 при различной настройке когерентного накопления на доплеровскую частоту. Кривая 1 соответствует накоплению, согласованному с доплеровской частотой полезного эхосигнала в каждой точке рассмотрен-
U
ивых (t, ^с )
K, дБ
t
10
120
230 340 Fc, Гц
Рис. 2
Рис. 3
ного диапазона. Графики, приведенные на рис. 3 сплошными линиями, соответствуют настройкам когерентного накопителя (доплеровского фильтра) в десяти точках заданного диапазона "а" -" к"1. Настройка фильтров выполнена из условия минимизации потерь эффективности на частотах, не совпадающих с точками настройки.
Уменьшение числа фильтров снижает эффективность доплеровской селекции на отдельных частотах: при десяти фильтрах эффективность селекции снижается максимум на 4 дБ, при восьми - на 12 дБ.
Эффективность селекции зависит также и от количества периодов модуляции в зондирующем сигнале. Результаты анализа (рис. 4) показывают зависимость коэффициента улучшения К от доплеровской частоты полезного эхосигнала при ТдчМ = 10 мс (кривая 1)
и 4 мс (кривая 2) и длительности зондирующего импульса Тс = 20 мс. При малом количестве периодов ЛЧМ наблюдались "слепые" скорости. Чтобы избежать этого, должно выполняться условие Тлчм < 1/тах , где тх - максимальный доплеровский сдвиг в
ожидаемом полезном эхосигнале.
Возрастание эффективности СДЦ с увеличением количества периодов модуляции является следствием снижения энергии остатков Еост компенсации мешающих сигналов: Еост = 2Евх/ N, где Евх - энергия импульса на входе ЧПВ.
Наличие доплеровского сдвига частоты в мешающем сигнале может приводить к снижению эффективности его компенсации. На рис. 5 показано изменение коэффициента улучшения ДК = К|^м =о - К|^м , вызванное доплеровским сдвигом частоты в мешающем сигнале, для двух значений . При наличии в мешающем сигнале доплеровского сдвига частоты = 10 Гц наибольшее снижение эффективности селекции составляет 5.5 дБ, а при = 20 Гц это значение равно 5.8 дБ.
Энергия остатков компенсации мешающих сигналов Еост зависит от формы огибающей зондирующего импульса. Все ранее приведенные результаты относятся к прямоугольной огибающей. Зависимости коэффициента улучшения, аналогичные приведенным на рис. 3, для косинусоидальной огибающей представлены на рис. 6, а на рис. 7 показана зависимость повышения эффективности подавления мешающих сигналов от доплеров-
1 Показаны только основные лепестки зависимостей.
K, дБ
AK, дБ
30
20
10
0
10 120 230 340 Fc, Гц
10 120 23 0 340 Fc, Гц Рис. 7
Рис. 6
ской частоты полезного эхосигнала при замене прямоугольной огибающей зондирующих импульсов на косинусоидальную.
Результаты, иллюстрируемые рис. 6 и 7, показывают, что при косинусоидальной форме зондирующего импульса можно существенно повысить эффективность подавления мешающих сигналов. Примечательным также является факт уменьшения необходимого числа доплеровских фильтров. Как следует из рис. 6, уже при четырех доплеровских фильтрах эффективность селекции снижается по сравнению с максимально возможной не более чем на 5 дБ.
Выполненное исследование показывает возможности снижения взаимного влияния ГЛС путем использования специальных зондирующих сигналов и согласованных с ними методов обработки, реализующих известные принципы СДЦ. Эффективность снижения взаимного влияния стационарно установленных ГЛС зависит от числа доплеровских фильтров, включенных в обработку, от числа периодов угловой модуляции в зондирующем импульсе, от подвижности ГЛС в установленной позиции, от формы огибающей зондирующего импульса и для условий, рассмотренных в статье, достигает 40 дБ. Следует отметить, что полученные результаты характеризуют (в первом приближении) также и эффективность подавления помех реверберации и мешающих отражений.
1. Бакулев П. А., Степин В. М. Методы и устройства селекции движущихся целей. М.: Радио и связь,
2. Финкельштейн М. Н. Основы радиолокации. М.: Радио и связь, 1983. 496 с.
3. Скрипник А. Г. Компьютерный имитатор полей сигналов и помех на выходе элементов приемной системы. М.: Янус-К, 2004. 40 с.
V. G. Valeev, V. A. Pjachev Ural state technical university - UPI
Reducing sonar mutual interference using moving targets selection methods
Efficiency of mutual interference decrease of uniform sonars evoked by moving targets selection methods is considered. The latter methods are applied during inner-period signal processing stage.
Sonar, mutual interference, moving targets selection
Статья поступила в редакцию 16 июля 2007 г.
Библиографический список
1986. 286 с.
