Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Многоканальное накопление радиолокационных сигналов, отраженных от высокоскоростных целей, движущихся с ускорением

Полный текст:

Аннотация

Определены параметры когерентного накопителя пачки импульсов, многоканального по скорости и ускорению. Показаны особенности функции неопределенности пачки импульсов на плоскости скорость - ускорение. Разработаны алгоритмы оценки скорости и ускорения. Предложена система многоканальной согласованной фильтрации пачки когерентных немодулированных импульсов с предварительным некогерентным накоплением, при использовании которой значительно снижаются вычислительные затраты. Определены условия, при которых система не имеет потерь в пороговом сигнале.

Для цитирования:


Порсев В.И., Николаев А.П., Кривоножко И.С. Многоканальное накопление радиолокационных сигналов, отраженных от высокоскоростных целей, движущихся с ускорением. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(1):23-34.

For citation:


Porsev V.I., Nikolaev A.P., Krivonozhko I.S. Multi-channel integration of radiolocation signals reflected from accelerating high-speed targets. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2018;(1):23-34. (In Russ.)

Введение

Действенным механизмом для обеспечения своевременного и достоверного обнаружения космических объектов (КО) на больших даль­ностях в условиях физических ограничений на размеры антенной решетки и мощность пе­редатчика является когерентное накопление радиолокационных сигналов. Для обеспече­ния эффективного когерентного накопления пачка импульсов должна быть когерентна, что в свою очередь зависит от когерентности пачки при излучении, случайных изменений условий распространения радиоволн в тро­посфере и ионосфере и амплитудно-фазовой нестабильности отраженного от цели сигна­ла. По результатам анализа данных, приве­денных в работах [1-4], можно считать, что в дециметровом диапазоне пачка сигналов дли­тельностью до 0,3.. .0,4 с, как правило, будет сохранять когерентность, достаточную для эффективного когерентного накопления.

В статьях [2, 3] показано, что когерент­ность пачки может нарушить хаотическое от­клонение ускорения цели от среднего значе­ния. В то же время для КО оно может быть существенным лишь на атмосферном участке траектории, соответствующем относительно малым дальностям, где для обнаружения цели достаточно одного импульса или короткой пач­ки, при обработке которых ускорение цели можно не учитывать.

В статье [5] в качестве причин наруше­ния когерентности названы высокая радиаль­ная скорость и ускорение цели, а также сделан вывод о неэффективности когерентного нако­пления длинной пачки сигналов, отраженных от высокоскоростных целей, и нецелесообраз­ности когерентного накопления при обнаруже­нии равноускоренно движущихся целей. Одна­ко высокая скорость цели приводит только к появлению соответствующего доплеровского сдвига частоты сигнала и изменению периода повторения импульсов, а ускорение приводит к изменению доплеровской частоты от импульса к импульсу пачки. Эти изменения параметров пачки априорно неизвестны, однако носят за­кономерный, а не случайный характер и, сле­довательно, никак не влияют на когерентность сигналов.

В работах [4, 6-8] показано, что высокие скорость и ускорение цели не являются пре­пятствием для эффективного когерентного на­копления. Так, в статье [4] приведены результа­ты успешных экспериментов по когерентному накоплению пачки импульсов, отраженных от искусственного спутника Земли на дальности в диапазоне 600.2000 км при радиальном ускорении 0.100 м/с2. Длительность пачки из 12 импульсов составляла 0,44 с, длина вол­ны - 24 см. Когерентный накопитель (КН) был многоканальным по скорости и ускорению, что позволяло проводить измерение радиального ускорения цели.

Общие принципы радиолокационного измерения дальности, скорости и ускорения изложены в статье [9]. Приведенный анализ является чисто теоретическим и касается точ­ности оценки трех параметров, которая может быть достигнута при использовании прием­ника, позволяющего получить максимально правдоподобные оценки. В статье [7] предло­жены алгоритм многоканального по скорости и ускорению когерентного накопления и два алгоритма совместного измерения скорости и ускорения. Однако оптимальный алгоритм, ос­нованный на поиске максимума корреляцион­ного интеграла, является достаточно сложным, а квазиоптимальный алгоритм требует относи­тельно большого отношения сигнал/шум и не­эффективен при наличии более одной цели в разрешаемом объеме. В статье [10] рассмотрен подход по определению параметров многока­нального по скорости когерентного накопле­ния, сделан вывод, что в условиях отсутствия априорной информации об ускорении необхо­димо применять многоканальный по ускоре­нию КН, но алгоритмы оценки ускорения цели не приведены.

Несмотря на практическую необходи­мость применения когерентного накопления длинных пачек импульсов для обнаружения КО, построение многоканальных по скорости и ускорению КН в научной литературе осве­щено недостаточно. Еще меньше информации приведено о практически реализуемых алго­ритмах оценки скорости и ускорения.

Первая цель данной работы - определение параметров многоканального КН пачки импуль­сов, отраженных от высокоскоростных целей, которые движутся с ускорением, и алгоритмов оценки скорости, ускорения, обладающих при­емлемой точностью, и достаточно простых для практической реализации. Вторая цель - уменьшение вычислительных затрат при реа­лизации многоканального по скорости и уско­рению согласованного фильтра пачки немодулированных импульсов без потерь в пороговом сигнале.

Решение первой задачи

Как известно [11], согласованный фильтр для пачки импульсов представляет собой последо­вательное соединение согласованного фильтра одиночного импульса и КН. Согласованный фильтр можно построить только для полно­стью известного (за исключением амплитуды и времени прихода) сигнала. Однако длинная пачка импульсов, отраженная от КО, имеет неизвестные период повторения, доплеровскую частоту и скорость ее изменения внутри пачки, которые связаны с неизвестными ради­альной скоростью и радиальным ускорением цели. Отметим, что здесь сделано допущение: вторая и более высокие производные скоро­сти цели равны нулю.

Согласно [9, 12], если какой-либо па­раметр сигнала неизвестен, то оптимальным решением является применение системы со­гласованных фильтров, многоканальной по неизвестному параметру. Система фильтров должна перекрывать весь диапазон возмож­ного изменения этого параметра. Для опти­мальной обработки пачки, отраженной от КО, в общем случае необходима система согласо­ванных фильтров, многоканальная по периоду повторения импульсов (перемещению цели по дальности), скорости цели (доплеровской частоте) и ускорению цели (скорости изме­нения доплеровской частоты внутри пачки). Теоретически проблем для построения такой системы нет, но общее количество фильтров, равное произведению числа каналов по каждо­му из трех параметров, может оказаться очень большим и трудно реализуемым на практике.

Рассмотрим когерентное наполнение при разном количестве неизвестных параметров пачки импульсов. Начнем с когерентного на­полнения полностью известной пачки импуль­сов. В статье [10] показано, что при известной радиальной скорости V0 в момент времени t0 = (L — 1)T, который отсчитывается от нача­ла пачки (для цели, приближающейся к РЛС, V < 0), и ускорении а цели комплексные ко­эффициенты  КН в формуле

должны быть определены в соответствии с выражением

Здесь  - комплексная огибающая выход­ного сигнала КН;

d - номер отсчета по дальности;

N - число импульсов в пачке;

n - номер импульса в пачке;

    - комплексная огибающая входного сигнала КН (выходной сигнал согла­сованного фильтра одиночного импульса);

j - мнимая единица;

L ∈[1, N];

Тд - период повторения импульсов в пачке, отраженной от цели;

Тд = T/(1 - 2V0 / с);

T - период повторения зондирующих импульсов;

с - скорость света;

а - радиальное ускорение цели, а = const (для цели, ускоряющейся в сторону РЛС, а < 0);

λ - длина волны.

Параметр L определяет момент времени относительно начала пачки, которому соответ­ствует выходной сигнал КН t0 = (L — 1)T.

Для оценки необходимости компенсации перемещения цели по дальности перед КН в статье [10] приведена формула для расчета гра­ничного размера элемента разрешения по даль­ности ∆rгр, при которой в одноканальном КН (1) появляются потери более 0,1 дБ из-за переме­щения цели в течение пачки:

∆rгр ≈ 3,3T(N - 1)Vmax,

где Vmax - максимальная радиальная скорость цели.

В качестве примера запишем расчет для пачки зондирующих импульсов, типичной для радиолокационных станций (РЛС) обнаруже­ния КО, которая имеет следующие параметры:

При Vmax = 11 км/с получим ∆rгр ≈ 8 км. Разрешающая способность немодулированно- го импульса длительностью 1 мс, вычисленная по формуле сτ / 2, составляет 150 км, что во много раз превышает ∆rгр . Следовательно, при когерентном накоплении типичной пачки пе­ремещение цели по дальности можно не ком­пенсировать.

Как известно [11], скоростная характери­стика КН (1) является периодической. Период однозначности по скорости Vодн и ширина ско­ростной характеристики (элемент разрешения по скорости) ΔV по уровню -3 дБ определя­ются по формулам:

Из формул (3) для типичной пачки полу­чим Vодн = 8 м/с, ΔV ≈ 0,5 м/с. Диапазон из­менения скоростей КО 2Vmax = 22 км/с во мно­го раз превосходит период однозначности по скорости Vодн. Следовательно, скорость цели, измеренная с помощью КН типичной пачки, является неоднозначной.

Ширина скоростной характеристики КН ΔV крайне мала, поэтому для одноканального КН требуется очень точная априорная информа­ция о скорости, что, как правило, невозможно обеспечить на практике. Известным решением данной проблемы является применение системы согласованных фильтров, многоканальной по скорости. В периоде однозначности по скорости равномерно расположены K фильтров (скорост­ных каналов), настроенных на скорости:

где k - номер скоростного канала.

В статье [10] показано, что комплексные коэффициенты  многоканального по скорости КН при известном ускорении а мож­но получить, подставив в формулу (2) вместо V0 выражение (4). Тогда получим

В соответствии с выражением (5) вы­ходной сигнал многоканального КН опреде­ляется как

Число скоростных каналов K выбираем исходя из допустимых потерь в отношении сигнал/шум для случая, когда скорость цели не совпадает ни с одной из Vk. Как правило, для уменьшения потерь приходится устанавливать K ≥ 2N. Далее будем считать, что K = 2N.

Согласно работе [9], зависимость ампли­туды выходного сигнала КН (6) от ускорения (ускорительная характеристика) также имеет периодический характер. Период однозначности по ускорению аодн определяется по формуле

а ширина ускорительной характеристики КН (элемент разрешения по ускорению) Δα по уровню -3 дБ по формуле

Из формул (7), (8) для типичной пачки получим аодн = 533 м/с2, Δα ~ 14,6 м/с2. Для многоканального по скорости КН (6) необхо­димо целеуказание по ускорению, среднеква­дратическая ошибка которого меньше Δα. Если целеуказание отсутствует, то необходимо применять систему, многоканальную по уско­рению.

Исходя из общей концепции построения системы согласованных фильтров для случая неизвестных параметров сигнала [12], в диапа­зоне однозначности по ускорению равномерно расположим P фильтров (ускорительных кана­лов), настроенных на ускорения:

где p - номер ускорительного канала.

Если расстояние между фильтрами при­нять равным Δα , то число каналов по ускоре­нию будет равно

P = round(aодн/ Δα) = round(N2 / 7),              (10)

где round - операция округления числа до ближайшего целого.

При таком количестве ускорительных каналов максимальные потери при несовпаде­нии ускорения цели с ар могут достигать 3 дБ. Для сокращения максимальных потерь до 1 дБ необходимо увеличить число ускорительных каналов до P = round(N2 / 4). Для типичной пачки N = 16. Тогда P = 64.

Коэффициенты w(n, к, р) КН, многока­нального по скорости и ускорению, получим, подставив в формулу (5) вместо а выражение (9):

Выходной сигнал КН определим следу­ющим образом:

При K = 32 общее число фильтров PK = = 2048 весьма значительное. На практике ра­диальное ускорение КО, движущихся вдоль линии визирования в сторону РЛС, лежит в диапазоне -8.. .0 м/с2.

Для целей, движущихся перпендикуляр­но линии визирования, максимальное радиаль­ное ускорение можно вычислить по формуле

где V - скорость цели;

R - расстояние до цели.

Для обнаружения целей на малых даль­ностях нет необходимости применять длинные пачки сигналов, поэтому зададим дальность цели Rmin = 1000 км, а скорость Vmax = 9 км/с.

Согласно выражению (13), получим amax = 81 м/с2. Таким образом, радиальное ускорение КО может находиться в диапазоне от amin =-8 до amax = 81 м/с2. Необходимое число ускорительных каналов Pm можно рас­считать по формуле

Для типичной пачки Pm = 13 общее чис­ло фильтров многоканального КН PmK = 416, что во много раз меньше, чем число фильтров, перекрывающих весь диапазон однозначности по ускорению (PK = 2048).

В выражении (12) номер ускорительного канала p должен принимать следующие зна­чения:

где  - операция округления числа вверх до целого;

 - операция округления числа вниз до целого.

Выражение (12) целесообразно исполь­зовать напрямую, если число накапливаемых импульсов не превышает 20...30. Если число накапливаемых импульсов больше, то лучше реализовать выражение (12) с применением быстрого преобразования Фурье (БПФ) [8].

При фильтрации сигналов, согласно фор­муле (12), возможно рассогласование по трем параметрам: ускорению, скорости и дальности. В связи с этим функция неопределенности пач­ки сигналов становится функцией трех пере­менных [9]. Для фиксированной дальности и ускорения a = 0 получаем скоростную харак­теристику (рис. 1, а), для фиксированной даль­ности и скорости V = 0 - ускорительную харак­теристику (рис. 1, б). На рис. 1, в, г показана двумерная функция неопределенности пачки импульсов при фиксированной дальности на плоскости скорость - ускорение. Хорошо виден (см. рис. 1, в, г) периодический характер функ­ции по скорости и ускорению. При больших ускорениях функция имеет высокий уровень боковых лепестков (БЛ). Максимальные БЛ с координатами (а / аодн = 0,5; V / Vодн =   0,25) и (а / аодн = 0,5; V / Vодн = 0,75) достигают уровня -3 дБ, что совпадает с результатами, полученными в работе [7]. Столь высокий уро­вень БЛ может затруднить обнаружение сла­бого сигнала на фоне сильного. Но в диапазо­не радиальных ускорений реальных целей от а / аодн = -0,015 до а / аодн = 0,14 уровень БЛ несколько меньше, чем при высоких ускоре­ниях. Он может быть уменьшен дополнитель­но за счет весовой обработки, для чего следует комплексные коэффициенты КН  умножить на весовую функцию W(n), напри­мер, вида:

 

Рис. 1. Функция неопределенности пачки импульсов на плоскости скорость - ускорение 

 

При γ = 0,08 получим функцию Хемминга. Весовая обработка значительно снижает уровень БЛ скоростной характеристики, но на уровень БЛ ускорительной характеристики оказывает слабое влияние.

Из работы [9] следует, что при L = = (N +1)/ 2 в формуле (11) обеспечивается независимость измерений скорости и ускоре­ния. Это хорошо видно на рис. 1, где главный лепесток функции имеет «кнопочный» вид. При L ≠ (N +1) / 2 главный лепесток приоб­ретает вид косого гребня, подобного функции неопределенности сигнала с линейно-частот­ной модуляцией (ЛЧМ) на плоскости даль­ность - скорость, что приводит к взаимной зависимости измерений.

По положению максимума функции не­определенности можно определить ускорение и неоднозначную скорость:

где pm, km, dm - номера каналов по ско­рости, ускорению и дальности, в которых амплитуда сигнала КН  макси­мальна.

Здесь также Vодн определяется согласно выражению (3), аодн - согласно формуле (7).

Важно отметить, что оценки (14), (15) корректны при условии, что ускорение цели а = const. При а ≠ 0 скорость цели в течение пачки изменяется линейно. Если в формуле (11) параметр L = (N +1) / 2, то оценка скорости (15) соответствует середине пачки.

Оценки ускорения и неоднозначной ско­рости по формулам (14), (15) являются грубы­ми, ошибки могут достигать

Для уменьшения ошибок при оценке ускорения и неоднозначной скорости целесо­образно применить эмпирические алгоритмы кубического среднего взвешивания:

От параметров sv и sa зависит смещение оценки скорости и ускорения. Для уменьшения смещения sv должно изменяться пропорцио­нально отношению K/N, при этом sa должно изменяться пропорционально отношению P/N2. В частности, для типичной пачки (N = 16, K = 32, P = 64) оптимальными являются значения sv = 3, sa = 3.

Точность оценок ускорения и скорости по алгоритмам (16), (17) достаточно высока. На рис. 2, а показана зависимость смещения оценки ускорения от истинного значения уско­рения для типичной пачки. На рис. 2, б пока­заны зависимости СКО оценки ускорения от отношения сигнал/шум для предлагаемого алгоритма (красная линия) и оптимального алгоритма (голубая линия), график которого получен по формуле, приведенной в статье [9].

 

Рис. 2. Точность оценки ускорения

 

На рис. 3, а показаны зависимости сме­щения оценки скорости от истинного значе­ния скорости. На рис. 3, б показана (красная линия) зависимость СКО оценки скорости от отношения сигнал/шум для типичной пачки. Там же штрихами (голубая линия) показана за­висимость СКО оценки скорости от отношения сигнал/шум для оптимального алгоритма, полу­ченной по формуле, приведенной в статье [9]. Зависимости СКО по скорости и ускорению от отношения сигнал/шум получены при случай­ных значениях скорости и ускорения, равно­мерно распределенных в диапазонах 0...8 м/с и -150.150 м/с2.

 

Рис. 3. Точность оценки скорости

 

Как видно, алгоритмы (16) и (17) имеют относительно небольшое смещение оценок и уступают оптимальным алгоритмам только при малых отношениях сигнал/шум. Следует отметить, что благодаря большой длительно­сти типичной пачки (NT = 0,24 с) достигает­ся исключительно высокая точность оценки скорости. Однако без устранения неоднознач­ности эту оценку скорости невозможно ис­пользовать для траекторной обработки. Для устранения неоднозначности необходимо еще как минимум одно зондирование цели такой же пачкой импульсов, но с другим периодом повторения.

Несомненный практический интерес представляет зависимость выигрыша в поро­говом сигнале КН пачки импульсов по срав­нению с одноимпульсной процедурой обна­ружения от количества импульсов в пачке. Такая зависимость представлена на рис. 4 при вероятности ложной тревоги, равной 10 -4, для пачки импульсов с периодом повторения T = 15 мс, отраженной от нефлюктуирующей цели, без учета снижения когерентности пачки из-за случайных изменений условий распро­странения радиоволн. Линия 1 соответствует одноканальному КН, когда скорость и ускоре­ние цели произвольны, но априорно известны. Линия 2 соответствует 2N-канальному КН, ког­да скорость неизвестна и равномерно распре­делена на интервале однозначности 0.. .8 м/с, а ускорение известно. Линия 3 соответству­ет 2NPm-канальному КН, когда скорость не­известна и равномерно распределена на ин­тервале однозначности 0.8 м/с, ускорение неизвестно и равномерно распределено на ин­тервале от -8.77 м/с2. Линия 4 для некоге­рентного накопителя (НКН) построена при тех же условиях, что и линия 3.

Наибольший выигрыш обеспечивает од­ноканальный КН, поскольку только он, строго говоря, является согласованным фильтром для пачки сигналов. Любое отклонение от согла­сованной фильтрации приводит к потерям в пороговом сигнале, поэтому многоканальные системы согласованных фильтров, которые приходится применять в условиях априорной неопределенности, неизбежно вносят потери, величина которых зависит от числа независи­мых каналов.

При заданных условиях многоканальные КН при увеличении числа импульсов все боль­ше проигрывают одноканальному КН в поро­говом сигнале, но при этом остаются более эффективными, чем НКН (см. рис. 4).

 

Рис. 4. Выигрыш в пороговом сигнале при накопле­нии пачки импульсов по сравнению с одноимпульс- ным обнаружением:

1 - одноканальный КН; 2 - 2N-канальный КН; 3 - 2NPm-канальный КН; 4 - НКН

 

Решение второй задачи

Ранее было показано, что для типичной пачки из 16 импульсов Pm = 13, а общее число филь­тров многоканального КН составило 2NPm = = 416. Практическая реализация 416-каналь­ного КН на современных вычислительных средствах возможна. Однако при этом согла­сованный фильтр одиночного немодулирован- ного импульса длительностью τ = 1 мс, пред­шествующий КН, также должен быть многока­нальным по скорости. Ширина спектра импуль­са длительностью τ равна W ≈ 1/τ, диапазон изменения доплеровской частоты цели Δf = = 2Vmax / λ - 2Vmin / λ . Тогда при Vmax = 11 км/с и Vmin =-11 км/с получим минимальное ко­личество каналов системы согласованных фильтров:

Алгоритм многоканальной согласован­ной фильтрации одиночного немодулирован- ного импульса можно выразить следующей формулой:

где M(i, d) - комплексная огибающая выход­ного сигнала;

i - номер отсчета по скорости (номер ка­нала системы согласованных фильтров оди­ночного немодулированного импульса);

i = 0... Imin 1;

D(d) - комплексная огибающая входно­го сигнала;

B - число отсчетов, приходящихся на ин­тервал времени, равный длительности зонди­рующего импульса τ;

τ - длительность зондирующего импу­льса;

fs - частота дискретизации сигнала;

fs =∆f.

Система согласованных фильтров, зада­ваемая выражением (19), состоит из Imin филь­тров с шириной полосы пропускания, равной 1 / τ , причем центральные частоты соседних фильтров разнесены на fs / Imin . Такая систе­ма позволяет обнаруживать и однозначно из­мерять скорость цели в диапазоне Vmin... Vmax.

На выходе каждого из 183 каналов си­стемы согласованных фильтров одиночного импульса должно осуществляться 416-каналь­ное КН. Общее число каналов 183 416 = 76 128 получается довольно большим для практиче­ской реализации. Известны упрощенные алго­ритмы накопления, например [13], уменьшаю­щие вычислительные затраты, но они вносят потери в пороговом сигнале. По этой причине при реализации многоканального по скорости и ускорению согласованного фильтра пачки немодулированных импульсов актуальной за­дачей является уменьшение вычислительных затрат без потерь в пороговом сигнале.

Для решения этой задачи, во-первых, при реализации системы согласованных фильтров одиночного импульса (19) применим «скачу­щее» БПФ [14]. Размер БПФ (число скорост­ных каналов) примем равным IБПФ = 256, что больше Imin.

Во-вторых, на выходе каждого из 256 ка­налов системы согласованных фильтров оди­ночного импульса (рис. 5) сначала проведем некогерентное накопление, которое не требует больших вычислительных затрат, в соответ­ствии с формулой

где Sn(i, d) - выходной сигнал НКН;

i = 0, 1,..., IБПФ ;

 - выходной сигнал системы со­гласованных фильтров одиночного импульса.

 

Рис. 5. Система многоканальной согласованной фильтрации и обнаружения пачки смодулированных импульсов; ЗУ - запоминающее устройство

 

Все выходные сигналы системы согласо­ванных фильтров одиночных импульсов  поступают в запоминающее устрой­ство одновременно и хранятся там до заверше­ния некогерентного накопления и обнаружения сигналов. Пороговое обнаружение сигнала про­водится во всех 256 каналах путем сравнения сигнала с выхода НКН Sn(i, d) с пороговым уровнем σ н q1 (где σ н - уровень шума на выхо­де НКН; q1 - относительный порог для НКН).

Если Sn(i, d) > σ н q1, то Q(i, d) = 1. В противном случае Q(i, d) = 0 . Булев массив Q(i, d) используется для считывания инфор­мации с запоминающего устройства. Отметим, что на КН поступают только те элементы мас­сива , для которых Q(i, d) = 1, ины­ми словами, те элементы массива, в которых обнаружен сигнал. Количество таких элемен­тов намного меньше общего числа элементов массива Q(i, d), поэтому вычислительные за­траты на КН значительно сокращаются.

Общее число элементов массива Q(i, d) не может быть меньше

Zmin = Imin (T- τ)/τ ,

где Imin определяется согласно (18);

T - τ - размер обрабатываемой дистан­ции по времени.

Для типичной пачки Imin = 183, T = 15 мс, τ = 1 мс. Тогда Zmin = 2562. Предположим, что на выходах системы согласованных импульсов после некогерентного накопления обнаружены 10 целей, каждая из которых занимает по два элемента в массиве Q(i, d). Тогда КН необхо­димо выполнить только 20 раз, а в отсутствие предварительного некогерентного накопления пришлось бы его выполнять 2562 раза. Следо­вательно, вычислительные затраты сократятся более чем на два порядка. Вычислительные затраты на НКН, который является одноканаль­ным сумматором действительных чисел, и на пороговый обнаружитель здесь не учитывают­ся, поскольку они относительно невелики.

Далее, согласно формуле (12), осущест­вляется когерентное накопление и проводится пороговое обнаружение сигнала путем срав­нения  с пороговым уровнем σк q 2 (где σ к - уровень шума на выходе КН; q 2 - относительный порог для КН). При этом долж­но быть выполнено условие

q1 < q 2 - Δq,                                                   (21)

где Δq - величина выигрыша в пороговом сиг­нале КН по сравнению с НКН, которая опреде­ляется как разность между линиями 3 и 4 (см. рис. 4) при соответствующем числе импульсов.

В формуле (21) все величины выражены в децибелах. Для 16-импульсной пачки Δq ≈ 1,5 дБ. Условие (21) обеспечивает равен­ство пороговых сигналов НКН и КН. Вероят­ность ложной тревоги на пороге σнq1 будет на порядок выше, чем на пороге σкq2 . Это не скажется на выходном потоке ложных тревог системы, поскольку он зависит от более высокого порога σкq2 . Однако при уменьшении порога σн q1 количество элементов, в которых необходимо проводить КН, будет расти, что приведет к снижению вычислительной эффек­тивности системы. По этой причине примене­ние системы КН, изображенной на рис. 5, це­лесообразно, когда Δq не превышает 2...2,5 дБ, что выполняется при относительно небольшом числе накапливаемых импульсов (до 50.70).

При превышении порога σк q2 прово­дится оценка параметров цели: дальности - по номеру отсчета d; однозначной скорости - по номеру канала системы согласованных филь­тров одиночного импульса i; ускорения - соглас­но формуле (16); неоднозначной скорости - согласно выражению (17).

При обработке типичной пачки из 16 им­пульсов с периодом повторения T = 15 мс и дли­тельностью одиночного импульса 1 мс получим разрешающую способность по дальности - 150 км, по однозначной скорости - 114 м/с, по ускорению - 14,6 м/с2, по неоднозначной скорости - 0,5 м/с. Этого вполне достаточно для последующего захвата цели на сопровождение.

Заключение

В данной статье определены параметры КН пачки импульсов, многоканального по скоро­сти и ускорению. Показано, что при параме­тре L = (N +1) / 2 функция неопределенности пачки импульсов на плоскости скорость - ускорение имеет «кнопочный» вид, что под­тверждает возможность независимой оценки радиальной скорости и радиального ускоре­ния цели. Предложены алгоритмы оценки скорости и ускорения методом кубического среднего взвешивания, обладающие приемле­мой точностью и достаточно простые для практической реализации.

Предложена система многоканальной согласованной фильтрации пачки немодулированных импульсов с предварительным неко­герентным накоплением, не вносящая потерь в пороговом сигнале и значительно уменьша­ющая вычислительные затраты при числе им­пульсов, не превышающем несколько десятков.

Список литературы

1. Вопросы перспективной радиолокации / Б.В. Бункин, А.Б. Борзов, В.Б. Сучков и др.; под ред. А.В. Соколова. М.: Радиотехника, 2003. 512 с.

2. Черных М.М., Васильев О.В. Экспериментальная оценка когерентности отраженного от воздушной цели радиолокационного сигнала // Радиотехника. 1999. № 2. С. 75-78.

3. Аганин А.Г., Замараев В.В., Васильев О.В. Способ измерения когерентности сигналов // Радиотехника. 2003. № 6. С. 50-57.

4. Kibbler G.O. T.H. A radar pulse train optimum processor for accelerating targets // IEEE Transactions. 1967. September AES 3. No. 5. Pp. 808-818.

5. Чепкасов А.В. Определение интервалов когерентного накопления пачки длинных импульсов при обнаружении высокоскоростной цели радиолокационной станцией с АФАР на твердотельных приборах // Радиопромышленность. 2016. № 1. С. 14-17.

6. Обработка сигналов в многоканальных РЛС / А.П. Лукошкин, С.С. Каринский, А.А. Шаталов и др.; под ред. А.П. Лукошкина. М.: Радио и связь, 1983. 328 с.

7. Кузьменков В.Ю., Логинов В.М. Способы и устройства совместного измерения радиальной скорости и радиального ускорения // Радиотехника и электроника. 1997. Т. 42. № 12. С. 1465-1475.

8. Маркович И.И., Завтур Е.Е. Методы цифровой обработки сигналов, отраженных от высокоманевренных воздушных целей // Вестник воздушно-космической обороны. 2016. Вып. 3 (11). С. 17-23.

9. Kelly E.J. The radar measurement of range, velocity and acceleration // IRE Transactions. 1961. April MIL-5. No. 2. Pp. 51-57.

10. Архипов М.Ю., Николаев А.П. Алгоритмы накопления радиолокационных сигналов, отраженных от высокоскоростной цели // Антенны. 2013. № 1. С. 057-061.

11. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. М.: Радио и связь, 1983. 536 с.

12. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981. 416 с.

13. Латушкин В.В. Оценка эффективности накопления произведений импульсов когерентной пачки сигналов // Радиотехника и электроника. 1984. Т. 29. № 9. С. 1832-1833.

14. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978. 848 с.


Об авторах

В. И. Порсев
Акционерное общество «Всероссийский научно-исследовательский институт радиотехники»
Россия


А. П. Николаев
Акционерное общество «Всероссийский научно-исследовательский институт радиотехники»
Россия


И. С. Кривоножко
Акционерное общество «Всероссийский научно-исследовательский институт радиотехники»
Россия


Для цитирования:


Порсев В.И., Николаев А.П., Кривоножко И.С. Многоканальное накопление радиолокационных сигналов, отраженных от высокоскоростных целей, движущихся с ускорением. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(1):23-34.

For citation:


Porsev V.I., Nikolaev A.P., Krivonozhko I.S. Multi-channel integration of radiolocation signals reflected from accelerating high-speed targets. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2018;(1):23-34. (In Russ.)

Просмотров: 94


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)