CC BY
145РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
ЗОНДИРУЮЩИЕ СИГНАЛЫ ДЛЯ АКТИВНОЙ ЛОКАЦИИ ВЫСОКОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ
1Залогин Н. Н., 2Скнаря А. В.
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова, Российская академия наук, http://cplire.ru 125009 Москва, Российская Федерация
2Научно-исследовательский институт приборостроения им. В.В.Тихомирова, http://www.niip.ru 140180 Жуковский, Московская область, Российская Федерация
Поступила в редакцию 14.05.2016
Представлена действительным членом РАЕН В.В. Колесовым 24.05.2016
Задача активной локации — обнаружение лоцируемого объекта-цели, определение расстояния до нее, угловые координаты цели, направление ее движения и ее скорость. Задача решается при использовании сигналов, зондирующих, исследующих цель неконтактным методом (дистанционно) — облучением ее, получением отраженного от цели (рассеянного целью) сигнала и его обработкой. При активной локации высокого пространственного разрешения используют короткие тональные (прямоугольный импульс с синусоидальным заполнением) и длительные широкополосные хаотические сигналы (ограниченные по полосе частот и длительности реализации). Короткие импульсы используют при расстояниях до цели не более десятков метров. При увеличении дальности до цели требуется увеличение мощности до сотен мегаватт в импульсе. Это возможно при использовании специальных устройств, но отягощено большим набором проблем. Обработка исходящего и отраженного короткого импульса производится осциллографически. Длительные широкополосные хаотические сигналы формируются генераторами шума, используя возбуждение в системе нескольких мод колебаний и нелинейность элементов генератора. Излучение, прием и обработка таких сигналов обеспечивают активную локацию высокого пространственного разрешения. Обработка хаотических сигналов состоит в построении функции взаимной корреляции между посланным и принятым сигналом методом двойной спектральной обработки. В работе проведено сопоставление использования широкополосных хаотических сигналов в радио- и гидролокации.
Ключевые слова: активная локация, зондирующие сигналы, тональные импульсы, широкополосные хаотические сигналы, генератор шума, двойная спектральная обработка
УДК 621.396.96, 623.519_
Содержание
1. Введение (3)
2. Специфика Активной локации высокого пространственного разрешения (3)
3. особенности работы с тональными сигналами и короткими импульсами (5)
4. работа с длительными широкополосными хаотическими сигналами (6)
5. Заключение (7)
Литература (8)
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время продолжаются исследования
и разработки в области совершенствования
средств активной локации, как радио-,
так и акустической. Наибольший интерес представляет собой выбор зондирующих сигналов: от частотных характеристик и структуры этих сигналов зависят основные параметры локаторов. К таковым характеристикам относятся разрешающая способность по дальности и угловым координатам, возможность выделения сигналов, отраженных от целей на фоне посторонних шумов на больших расстояниях до целей, возможности оценки направления движения и скорости целей и др. Этому посвящена обширная литература. Сошлёмся для примера на нашу статью, опубликованную в данном
залогин н.н., скнаря а.в.
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
журнале [1]. Настоящая же работа посвящена конкретному выбору сигналов для активной локации.
2. СПЕЦИФИКА АКТИВНОЙ ЛОКАЦИИ ВЫСОКОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Задачей активной локации является обнаружение рассеивающих излучение объектов и определение расстояния до них, а также угловых координат этих объектов (целей). Дополнительной задачей являются оценки направления движения и скорости целей. Согласно теории волновых процессов, плотность потока мощности при удалении от источника (передающей антенны) уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Точно также уменьшается плотность потока мощности сигнала, отраженного от лоцируемого объекта (цели). В результате мощность зондирующего сигнала при распространении до цели и обратно терпит существенные потери, тем большие, чем больше расстояние до цели. В акустических устройствах, работающих в водной среде, дело усугубляется существенными диссипативными потерями, тем большими, чем больше частота зондирующего сигнала.
Поскольку приём отраженного от цели зондирующего сигнала производится на фоне собственных шумов приёмного устройства и шумов окружающей среды, важным является отношение сигнал/шум на входе приёмного устройства локатора 2{ Ршй1
ч2 =■'
N
определяемое как отношение интеграла принятой мощности по времени (энергии сигнала) к спектральной плотности мощности помеховых шумов. Применительно к обзорным РЛС для уверенного обнаружения цели величина этого отношения должна превышать число 25.
Если предположить, что излучаемая и, соответственно, принимаемая мощность зондирующего сигнала в течение времени посылки Т постоянна, а помеха реализуется в полосе частот Д/, занимаемой сигналом, то предыдущую формулу (сигнал/шум) можно
записать следующим образом:
2 Р
ч2 = Р 4Т.
Безразмерное выражение А/Т принято называть базой сигнала. Заметим, что база сигнала в виде прямоугольного импульса с синусоидальным заполнением (тонального сигнала), широко используемого ранее как в радио-, так и в гидролокации, равна единице.
Приведенные соотношения говорят о необходимости резкого повышения энергии зондирующего сигнала для обеспечения уверенного обнаружения сигнала при увеличении дальности до цели. Так при увеличении дальности действия локатора на порядок энергию излучаемого сигнала необходимо увеличить на четыре порядка. А в гидроакустических устройствах ещё больше. Заметим, что речь идёт об энергии сигнала. Её можно увеличивать не только за счёт мощности, но и за счёт увеличения базы сигнала. Исключение составляет тональный сигнал, для которого база равна единице. В этом случае необходимо увеличивать только мощность.
Известны два основных способа обработки зондирующих сигналов в активной локации. Первый способ — это непосредственное измерение временного интервала между моментами излучения и возращения отраженного от цели сигнала. Обычно он реализуется с помощью отображения продетектированных сигналов на экране осциллографа, скорость развёртки которого подобрана таким образом, чтобы оба импульса поместились на экране. А по визуальному расстоянию между ними легко вычислялась бы дальность до цели. Для повышения точности измерений исходящий импульс не отображается. Запуск развёртки производится с задержкой, а второй луч осциллографа снабжается временными отметками. Такой способ применим для зондирующего сигнала в виде очень коротких импульсов. Необходимо, чтобы излучённый и вернувшийся импульсы не накладывались друг на друга во времени.
Второй способ состоит в вычислении функции взаимной корреляции между посланным и возвращённым сигналами. Преимуществом этого способа является возможность работы с
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
активная локация высокого 5 пространственного разрешения...
длительными зондирующими сигналами. В этом случае обнаружение дальних целей реализуется не за счёт увеличения мощности излучаемого сигнала, а за счёт увеличения длительности посылки.
С точки зрения локации высокого пространственного разрешения это очень важно. Основным требованием к зондирующему сигналу является одномодальность его автокорреляционной функции — наличие единственного ярко выраженного максимума. Данные статистической радиофизики говорят о том, что такими свойствами обладает так называемый «белый шум» — хаотический сигнал, неограниченный по спектру и времени. Максимумом автокорреляционной функции такого сигнала является дельта-функция. Реально можно работать и хаотическими сигналами, ограниченными по полосе частот и длительности реализации. На рис. 1 приведены графики автокорреляционной функции хаотического сигнала при сужении его спектра.
Из приведенных графиков видно, что длительный хаотический сигнал со спектром конечной ширины имеет автокорреляционную функцию с единственным ярко выраженным максимумом. Ширина максимума определяется верхней граничной частотой спектра. При обрезании спектра до верхней октавы функция остаётся с одним максимумом. Дальнейшее обрезание спектра приводит к появлению дополнительных максимумов, которые при анализе могут быть восприняты как отметки
Рис. 1. Эволюция автокорреляционной функции хаотического сигнала при сужении полосы частот.
ложных целей.
Из приведенных данных становится очевидной целесообразность использования в локаторах высокого пространственного разрешения длительных широкополосных хаотических сигналов. Дополнительным преимуществом таких сигналов является возможность существенного увеличения разрешающей способности по угловым координатам. При работе с короткими посылками тонального сигнала для обеспечения хорошего разрешения по углу необходимо иметь антенную систему с большой апертурой. Например, радиолокатор 10 см-диапазона для обеспечения разрешения по углу порядка 1° должен иметь антенну с диаметром зеркала более пяти метров. Работая же с широкополосным хаотическим сигналом, можно обойтись малогабаритными разнесёнными в пространстве антеннами, используя принцип интерферометра, широко применяемый в радиоастрономических системах.
3. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ С ТОНАЛЬНЫМИ СИГНАЛАМИ И КОРОТКИМИ ИМПУЛЬСАМИ
В локационных системах высокой точности разрешение по дальности определяется длительностью импульса зондирующего сигнала. При скорости распространения электромагнитных волн в атмосфере С ~ 3'108 м/сек длительность импульса Т соответствует размеру волнового пакета С'Т. Это значит, что трем метрам (характерное разрешение радиолокатора ПВО) соответствует
длительность импульса 10-8 секунд (10 нсек). Соответственно для 30 см — 1 нсек. В гидроакустических системах скорость распространения волн в воде в 20000 раз меньше. Соответственно увеличивается и длительность импульса, обеспечивающего разрешение по дальности. Это позволяет работать с более низкочастотным сигналом.
Поскольку увеличение разрешения связано с уменьшением длительности зондирующего сигнала, для сохранения энергии сигнала требуется увеличение мощности. При увеличении дальности до цели дополнительное повышение мощности требуется вследствие уменьшения
залогин н.н., скнаря а.в.
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
частоты повторения импульсов — обработки меньшего количества импульсов за заданное время. Реально речь идёт о мощностях в десятки-сотни мегаватт в импульсе. Такие мощности в принципе достижимы при использовании так называемых релятивистских электронных генераторов. Это исключительно дорогие в производстве и эксплуатации электровакуумные устройства, работающие с высокоточными электронными пучками, разгоняемыми до скоростей, близких к скорости света. При работе с такими устройствами возникают проблемы, связанные с защитой высокочувствительной приёмной аппаратуры в момент излучения сигнала, а также от так называемых «местников» — сигналов, отраженных от местных предметов, и принятых по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны.
Пробой атмосферы маловероятен из-за краткости импульса. Применительно к гидроакустическим устройствам повышение мощности тонального сигнала приводит к кавитации. Допустимо использование простых мощных импульсов без тонального заполнения. В геолокации широко используются источники зондирующих сигналов взрывного типа. Применительно к гидролокации следует учитывать особенности распространения таких сигналов в водной среде. Речь идёт о быстром затухании высокочастотных компонент спектра. В результате короткий импульс по мере распространения превращается в длительную низкочастотную посылку.
В атмосфере это очень хорошо заметно. Молния в непосредственной близости от наблюдателя издает короткий, резкий щелчок, который на отдалении превращается в длительный глухой гул. Знакомый военный инженер, оказавшийся на Семипалатинском полигоне в момент испытания атомной бомбы, рассказал нам о том, что в пятидесяти километрах от центра взрыва его звук напоминал звук, издаваемый межконтинентальной баллистической ракетой на взлёте.
Следует отметить также, что работа с короткими импульсами не даёт возможности определения скорости целей с помощью использования эффекта Доплера. Исключение возможно лишь при работе с длительными
последовательностями тональных сигналов, как бы вырезанных из высокостабильной синусоиды. Из изложенного можно сделать вывод о возможностях использования коротких импульсных и тональных сигналов лишь при очень небольших дальностях до целей. В радиолокации это единицы — десятки метров. В гидролокации ещё меньше.
4. РАБОТА С ДЛИТЕЛЬНЫМИ ШИРОКОПОЛОСНЫМИ ХАОТИЧЕСКИМИ СИГНАЛАМИ
Как уже отмечалось, обработка результатов активной локации с помощью широкополосных хаотических сигналов возможна с помощью вычисления функции взаимной корреляции излучённых и возвратившихся от цели (целей) реализаций сигналов.
Последовательность работы с такими сигналами состоит из нескольких процедур. Во-первых, необходимо сформировать сигналы заданной длительности, спектра и автокорреляционных особенностей. Это можно сделать аналоговыми и цифровыми способами. Во-вторых, нужно осуществить излучение этих сигналов в заданном направлении, а потом принять отраженные от целей сигналы. Наконец, нужно путем совместной корреляционной обработки излучённого и принятого сигналов получить данные о дальности до целей, угловых координатах целей и, в идеальном случае, направлении движения и скоростях целей. Рассмотрим эти процедуры более подробно.
Вопросами формирования аналоговых широкополосных хаотических сигналов занимались в Институте радиотехники и электроники РАН. В 1962-м году был обнаружен эффект генерации шумовых колебаний в системе плазма — электронный пучок в магнитном поле. Развитие этих работ привело к созданию шумотронов — генераторов шума на лампах с бегущей волной (ЛБВ). Выяснилось, что факторами, обуславливающими хаотичность генерируемых колебаний, являются возможность возбуждения в системе нескольких типов колебаний (мод) и специфическая нелинейность элементов генератора.
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
активная локация высокого 7 пространственного разрешения...
Дальнейшие исследования и разработки привели к созданию различных типов генераторов широкополосного шума в СВЧ-диапазоне на твёрдотельной элементной базе [в т.ч. 2]. Подробно о генераторах широкополосных хаотических колебаний в [3]. Цифровые способы реализации таких колебаний были реализованы на основе математического моделирования аналоговых генераторов [4]. В ходе этих исследований выяснилось, что построение таких моделей допускает использование преобразований и нелинейностей [5], нереализуемых в аналоговых генераторах.
Цифровые способы позволяют также моделировать распространение как
электромагнитных, так и акустических волн в различных средах. Особенно интересно изменение автокорреляционной функции сигнала при распространении в условиях сильной зависимости затухания от частоты, характерной в акустике и для электромагнитных волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Возможно также моделирование изменения структуры волнового пакета при отражении от движущегося с заданной скоростью объекта, что обеспечивает оценку скорости перемещения цели относительно локатора.
Наибольшие трудности связаны с совместной обработкой излучаемого и принятого широкополосных хаотических зондирующих сигналов. Классическая компьютерная цифровая обработка в настоящее время возможна только для относительно низкочастотных сигналов. Реально максимальная частота не должна превышать сотни МГц. Это значит, что используемые в радиолокации высокого пространственного разрешения широкополосные СВЧ-сигналы не могут быть обработаны с помощью цифровой техники. Другое дело — гидролокация, работающая с сигналами в десятки — первые сотни кГц. Очевидно, что в этом случае альтернативы широкополосным хаотическим сигналам нет.
Для широкополосных хаотических СВЧ-сигналов существует способ построения функции взаимной корреляции излученного и принятого сигналов. Это так называемая двойная спектральная обработка. Она
основана на известной теореме Винера-Хинчина. Согласно этой теореме функция взаимной корреляции двух хаотических сигналов может быть получена путем анализа спектра суммы этих сигналов [6]. Спектр суммы двух сигналов получается обычно путём последовательного анализа с помощью узкополосного перестраиваемого фильтра с последующим детектированием. Вторичный спектр вычисляется уже цифровым способом. Специфика такого способа заключается в увеличении длительности обработки с увеличением расстояния до цели. Приходится уменьшать полосу перестраиваемого фильтра и скорость его перестройки. В результате удовлетворительные результаты при работе с сигналами сантиметрового диапазона получаются при дальностях до цели в метры — десятки метров. Следует отметить также возможность оценки расстояния между двумя целями, расположенными недалеко друг от друга. Для этого двойной спектральной обработке подвергается возвращаемый от целей сигнал. Хорошо использовать двойную спектральную обработку для реализации интерферометра. В этом случае обрабатывается сумма сигналов, приходящих на две разнесённые в пространстве приёмные антенны.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Подводя итоги изложенному выше, можно утверждать, что использование в активной локации высокого пространственного разрешения коротких импульсных и тональных сигналов возможно лишь при очень малых расстояниях до целей. В этом случае привлекает простота обработки сигналов с целью определения расстояния до цели. Но даже в этом случае применение широкополосных хаотических зондирующих сигналов обеспечивает дополнительные преимущества, заключающиеся в возможностях существенного уточнения угловых координат целей и скоростей их перемещения. На больших дальностях использование шумовых сигналов позволяет определить расстояние между расположенными близко друг от
залогин н.н., скнаря а.в. РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
друга целями или «блестящими» точками 3. Залогин НН, Кислов ВВ. Широкополосные
крупноразмерной цели. хаотические сигналы в радиотехнических и
тт„ „ „ - „ информационных системах. Москва, Радиотехника,
Что касается возможностей реализации
v 2006, с. 208.
высокого разрешения по дальности для
r г 4. Takens F. Detecting Strange Attractors in Turbulence.
радиолокации удалённых целей, то наиболее UctunNotesтMathematlcs, vol. 898:366-381. Springer,
перспективными представляются длительные NY-Berlin-Heidelberg, 1981
сигналы с частотной модуляцией на дискретной 5. Feigenbaum MJ. Quantitative universality for a class
сетке частот. В гидролокации в силу практически of nonlinear transformations. J. of Statistical Physics,
полных потерь высокочастотных компонент 1978, 19(1):25-52; DOI: 10.1007/BF01020332.
сигнала на больших расстояниях высокое 6. Poirier JL. Quasi-monochromatic scattering and
разрешение по дальности не представляется some Possible radar applications. Radw Scíence, 1968,
3:881-886.
возможным.
Залогин Николай Николаевич ЛИТЕрАТурА к.т.н, в.н.с. ИРЭ им. ВА. Котельникова РАН
1 Залогин НН, Калинин ВИ, Скнаря АВ. Активная 11/7, ул. Моховая, 125009 Москва, Россия локация с использованием широкополосных [email protected]
хаотических сигналов. pЭНСИТ, 2011, 3(1):3-17. Скнаря Анатолий Васильевич
2. Gunn JB. Effect of domain and circuit properties к.ф.-м.н., с.н.с. НИИП им. В.В. Тихомирова
on oscillations m GaAs. IBM J. Res. Dev., 1966, 3, ул. Гагарина, 140180 Жуковский, Московская 10(4):31°-32°. область, Россия
SOUNDING SIGNALS FOR THE ACTIVE LOCATION OF HIGH SPATIAL RESOLUTION
Nikolay N. Zalogin
Kotel'nikov Institute of Radio-Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences, http://cplire.ru 11/7, Mokhovaya str., 125009 Moscow, Russian Federation [email protected] Anatoly V. Sknarya
Tikhomirov Scientific-Research Institute of Instrument, http://www.niip.ru
3, Gagarina str., 140180 Zhukovsky, Moscow region, Russian Federation [email protected]
Abstract. Task of active location is detection of located object-target, determining the distance to it, the angular coordinates of the target, its direction and its speed. The problem is solved by using signals, which sounding, exploring the target of a non-contact method (remotely) - its irradiating, receiving reflected from the target (scattered from the target) signal and its processing. In active location of high spatial resolution are used short tonal signals (rectangular pulses with sinusoidal filling) and long-term wideband chaotic signals (limited on band of frequencies and duration of implementation). Short pulses are used when the distance to the target is not more than tens of meters. By increasing the distance to the target is required to increase the capacity to hundreds of megawatts per pulse. This is possible by using special devices, but burdened with a large set of problems. Processing outgoing and reflected short pulse produced oscillographic. Long-wideband chaotic signals formed by noise generators, using excitation in system of multiple modes of vibration and nonlinearity generator elements. Radiation, reception and processing of these signals provide the active location of high spatial resolution. Processing of chaotic signals is to construct a function of cross-correlation between the sent and received signal by a method of double spectral processing. In paper is compared the use of wideband chaotic signals in the radio- and hydrolocation.
Keywords: active location, sounding signals, tonal pulses, wideband chaotic signals, noise generator, dual spectral processing
UDC 621.396.96, 623.519
Bibliography — 6 references Received 14.05.2016 RENSIT, 2016, 8(1):3-8_DOI: 10.17725/rensit.2016.08.003
