Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Исследование сигнала в виде пачки когерентных импульсов с нерегулярной структурой

https://doi.org/10.38013/2542-0542-2022-3-41-47

Полный текст:

Аннотация

Предложен способ синтеза сигнала с кнопочной функцией неопределенности с малым уровнем боковых лепестков. Исследована автокорреляционная и взаимно-корреляционная функции методом математического моделирования в среде MatLab с учетом бланкирования сигнала, когда прием осуществляется только во время отсутствия передачи.

Для цитирования:


Зайцев А.В., Разин А.А. Исследование сигнала в виде пачки когерентных импульсов с нерегулярной структурой. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2022;(3):41-47. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2022-3-41-47

For citation:


Zaytsev A.V., Razin A.A. Investigation of signal in the form of a coherent pulse train with irregular pulse structure. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2022;(3):41-47. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2022-3-41-47

Одним из недостатков применения квазинепрерывных сигналов с регулярной структурой импульсов является ограниченный диапазон однозначного измерения дальности и доплеровской частоты. Для устранения неоднозначности измерений дальности и доплеровской частоты и исключения «слепых» зон необходимо в различных циклах зондирования варьировать параметры излучения сигналов [1–3].

В [4] изложен принцип построения РЛС с перестройкой несущей частоты. Недостатком является большое время измерения координат целей и низкая точность измерения частоты Доплера. Недостатком предложенного способа построения РЛС в [5] является большое время обзора пространства из-за необходимости излучения трех пар пачек импульсных сигналов для получения однозначного измерения скорости цели.

Синтез сигналов с одновременным варьированием длительности и девиации частоты импульсов с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) по псевдослучайным законам позволяет однозначно измерить дальность и скорость цели за время накопления, равное длительности пачки.

В данной работе приведен пример формирования сложного сигнала с «кнопочной» функцией неопределенности. Проведено исследование сохранения свойств сигнала при различных значениях задержки и доплеровского сдвига принятого сигнала. Исследование было проведено в среде MatLab.

Рассмотрим сигнал в виде пачки неэквидистантных когерентных импульсов с перестройкой девиации частоты импульсного сигнала с ЛЧМ и с одновременным варьированием длительности импульсов. Импульсные сигналы во временной области имеют следующий вид:

(1)

где fнi – нижняя частота i-го ЛЧМ импульса, Si = 2πΔfi / τИi – крутизна ЛЧМ i-го импульса, Δfi – девиация частоты i-го ЛЧМ импульса, tj – временные отсчеты с тактовой частотой АЦП, j – номер отсчета, τИi – длительность i-го ЛЧМ импульса, i – номер импульса, N – количество импульсов в пачке.

Для формирования i-го ЛЧМ импульса нижняя частота fнi выбирается из некоторой частотной последовательности {f1, f2, …, fN} в соответствии с символом кодовой последовательности an = {a1, a2, …, aN}. С помощью последовательности bn = {b1, b2, …, bN} определяется последовательность длительностей импульсов из некоторого набора {τИ1, τИ2, …, τИN} для формирования пачки.

Последовательности натуральных чисел an и bn должны быть выбраны специальным образом так, чтобы двумерная функция неопределенности синтезированного сигнала имела характерный кнопочный вид с минимальным уровнем боковых лепестков (УБЛ) [6]. При этом amin = bmin = 1 и amax = bmax = N. Широкое распространение получили последовательности Костаса, последовательности, которые формируются с помощью алгоритмов Уэлча – Костаса, Такешито – Костелло и др. [7].

Последовательности an и bn могут меняться от пачки к пачке.

Длительность i-го импульса τИi рассчитывается по формуле:

(2)

где t1 и t2 – минимальная и максимальная длительности импульсов соответственно, N – количество импульсов в пачке, bii-й элемент последовательности bn, i – порядковый номер зондирующего импульса в пачке. Интервалы излучения TПi между i и i+1 импульсами в пачке рассчитываются по формуле:

(3)

где Q – скважность.

Для сохранения кнопочной структуры функции неопределенности выбираются не эквидистантные частоты ЛЧМ-импульсов и неравные значения частотных девиаций импульсов Δfi. Для минимизации УБЛ импульсные сигналы в частотной области не должны пересекаться, при этом необходимо использование всей полосы рабочих частот, т. е.:

(4)

где ΔF – полоса рабочих частот.

Исходная частотная последовательность, из которой выбираются нижние частоты ЛЧМ импульсов в соответствии с кодовой последовательностью an, определяется следующим образом. Для определенности пусть в исходном наборе частотных девиаций {Δf1, Δf2, …, ΔfN} значения уменьшаются линейно, т. е. Δfj+1 – Δfj = const для j = 1…N–1 (рис. 1). Тогда исходный набор значений девиаций задается следующей формулой:

(5)

где ΔfN является минимальным значением девиации. При этом ΔfN < ΔF / N.

Рис. 1. Исходный набор частотных девиаций

Тогда исходная частотная последовательность определяется как

(6)

где fср – среднее значение несущей частоты всей пачки.

Для формирования i-го ЛЧМ импульса нижние частоты fнi выбираются из частотной последовательности, рассчитанной по формуле (6), в соответствии с символом кодовой последовательности an = {a1, a2, …, aN}, т. е.:

(7)

Верхние частоты fвi рассчитываются по формуле:

(8)

На рисунке 2 приведены исходная и выбранная частотные последовательности.

Рис. 2. Исходная и выбранная частотные последовательности

На рисунке 3 приведен процесс выбора частотной девиации и длительностей импульсов с использованием двух кодовых последовательностей.

Рис. 3. Процесс выбора частотной девиации и длительностей импульсов

При моделировании ЗС с нерегулярной структурой в среде MatLab выбор последовательностей натуральных чисел an и bn производился с помощью библиотечной функции «Randperm» для создания случайных целых чисел с нормальным распределением.

На рисунках 4–6 представлена функция неопределенности предложенного типа ЗС с полосой рабочих частот Δf = 100 МГц и длительностью пачки Tпачки = 10 мс с одним из заданных наборов начальных условий (N, t1, t2, an, bn, ΔfN, fср).

Рис. 4. Функция неопределенности

Рис. 5. Сечение функции неопределенности при FД = 0:
а – диапазон τзад = (–10…10) мкс; б – диапазон τзад = (–1…1) мкс

Рис. 6. Сечение функции неопределенности при τзад = 0:
а – диапазон FД = (–100…100) кГц; б – диапазон FД = (–15…15) кГц

Для предложенного типа ЗС с заданными параметрами максимальный уровень боковых лепестков составил ~ –13 дБ. Разрешающая способность при этом составила:

  • ~88 Гц по частоте Доплера
  • ~1,5 м по дальности.

Было проведено исследование взаимно-корреляционной функции (ВКФ) образа с принятым сигналом на разных дальностях и частотах Доплера с учетом бланкирования, когда прием сигнала осуществлялся только во время отсутствия передачи. В интервалах передачи массив принятого сигнала заполнялся нулями (рис. 7). Набор начальных условий для формирования ЗС не изменился.

Рис. 7. Бланкирование принятого сигнала

На рисунках 8 и 9 представлены результаты численного моделирования: графики максимального УБЛ ВКФ и графики соотношения уровня главного лепестка ВКФ к уровню главного лепестка автокорреляционной функции на разных дальностях D и частотах Доплера цели FД:

D = 1…220 км с шагом 500 м;
FД = [ 0, 5, 10, 13] кГц.

Рис. 8. Отношение уровней главного лепестка ВКФ к АКФ

Рис. 9. Максимальный УБЛ

Для предложенного типа ЗС с заданными параметрами максимальный уровень боковых лепестков ВКФ составил -11,46
дБ. Значения УБЛ слабо зависят от частот Доплера при заданных условиях, поэтому на рисунках
8 и 9 представлены результаты для FД = 5
кГц.

УБЛ допустим при малых отражениях от местных предметов – для обнаружения воздушных целей. Уменьшение УБЛ возможно при помощи перебора последовательностей an и bn. Для снижения влияния отражений от подстилающей поверхности возможно применение алгоритмов селекции движущихся целей.

Выводы

Был исследован сигнал в виде пачки когерентных импульсов с одновременной перестройкой длительности импульсов и девиации частоты по псевдослучайным законам. Функция неопределенности такого сигнала имеет кнопочную структуру.

Использование предложенного типа зондирующего сигнала в РЛС класса «поверхность–воздух» и «воздух–воздух» позволит получать однозначные измерения дальности и скорости за время, равное длительности одной пачки. Одновременная перестройка параметров сигнала повышает помехоустойчивость РЛС за счет сложности определения структуры зондирующих сигналов.

Список литературы

1. Калениченко С. П., Кутузов В. М. Повышение скрытности радиолокационных станций // RLNC-2001, 7-я межд. конф. – Воронеж, 2001. – Т. 1. С. 345–357.

2. Гантмахер В. Е., Быстров Н. Е., Чеботарев Д. В. Шумоподобные сигналы. Анализ, синтез, обработка // СПб.: Наука и Техника, 2005. – 400 с.

3. Зайцев А. В., Разин А. А. Исследование частотного метода измерения дальности с использованием пачечного ЛЧМ-сигнала // Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей», № 4, 2019. С. 50–53.

4. Радиолокационная система с перестройкой несущей частоты и режимом СДЦ, RU2245562 C2, опубл. 27.01.2005, МПК G01S 13/58.

5. Майоров Д. А., Ильясафов А. Д. Принципы построения радиолокационных станций с перестройкой несущей частоты // Радиостроение. 2019. № 02. С. 16–22.

6. Чапурский В. В. Избранные задачи теории сверхширокополосных радиолокационных систем // М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016, 280 с.

7. Golomb, S. W., and Taylor, H. Construction and properties of Costas arrays // Proc. of the IEEE, Vol. 72, No. 9, pp. 1143–1163, Sept. 1984.


Об авторах

А. В. Зайцев
Акционерное общество «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В. В. Тихомирова»
Россия

Зайцев Алексей Вячеславович – инженер.
Область научных интересов: радиолокационные системы, вторичная обработка радиолокационной информации.

Жуковский



А. А. Разин
Акционерное общество «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В. В. Тихомирова»
Россия

Разин Анатолий Анатольевич – кандидат технических наук, начальник лаборатории.
Область научных интересов: радиолокационные системы, вторичная обработка радиолокационной информации.

Жуковский



Рецензия

Для цитирования:


Зайцев А.В., Разин А.А. Исследование сигнала в виде пачки когерентных импульсов с нерегулярной структурой. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2022;(3):41-47. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2022-3-41-47

For citation:


Zaytsev A.V., Razin A.A. Investigation of signal in the form of a coherent pulse train with irregular pulse structure. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2022;(3):41-47. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2022-3-41-47

Просмотров: 76


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


ISSN 2542-0542 (Print)