автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Алгоритмы обработки пространственно-временных сигналов на основе активной фазированной антенной решетки для обнаружения малоразмерных объектов на фоне подстилающей поверхности

На правах рукописи

Авилов Артем Игоревич

Алгоритмы обработки пространственно-временных сигналов на основе активной фазированной антенной решетки для обнаружения малоразмерных объектов на фоне подстилающей поверхности

С,

Специальность: 05.12.04 - «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005549855

Таганрог —2013

005549855

Работа выполнена на кафедре теоретических основ радиотехники (ТОР) «Южного федерального университета» (ЮФУ).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Федосов Валентин Петрович доктор технических наук, профессор ИТА ЮФУ г. Таганрог

Габриэльян Дмитрий Давидович доктор технических наук, профессор, заместитель начальника научно-технического комплекса «Антенные системы» по науке Федерального научного производственного центра ФГУП «РНИИРС» г. Ростов-на-Дону

Семенов Владимир Владимирович кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиоэлектронные системы», Институт сферы обслуживания и предпринимательства, филиал Донского государственного технического университета, г. Шахты

ОАО «Всероссийский исследовательский институт (ОАО «ВНИИ «Градиент»), г. Ростов-на-Дону

научно-«Градиент»

Защита состоится «17» апреля 2014 г. В 1420 часов в ауд. Д-406 на заседании диссертационного совета Д 212.208.20 при федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» по адресу: 347928, Ростовская область г Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, д.44.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке «Южного федерального университета» по адресу: ул. Зорге 21 Ж, г. Ростов-на-Дону, Ростовская область, 344103.

Автореферат разосл

Ученый секретарь , диссертационного

кандидат технических

Савельев В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Анализ результатов зарубежных и отечественных исследований показывает, что одним из основных направлений совершенствования радиолокационных систем является разработка новых методов обнаружения малозаметных воздушных и наземных (морских) объектов, а также поиск новых систем обработки радиолокационных сигналов на фоне отражений от подстилающей поверхности.

Наиболее распространенным способом обнаружения движущихся объектов на фоне помехи, обусловленной отражениями от поверхности раздела сред, является использование различий в доплеровском приращении частоты эхосигнала от объекта и пассивной помехи.

Однако расположение неподвижного объекта вблизи отражающей поверхности снижает эффективность доплеровских методов селекции таких объектов. В тоже время, наличие пространственных отличий объекта и поверхности при ее наклонном облучении позволяет применить пространственно-временные цифровые алгоритмы обнаружения объектов на основе пространственной фильтрации сигналов на выходах антенной решетки. Такая возможность сохраняется и при совпадении временных и спектральных характеристик полезных и помеховых сигналов в условиях, когда неэффективные временные или спектральные алгоритмы обработки сигналов с целью обнаружения объектов на фоне мощных отражений от поверхности.

Такие методы и алгоритмы разрабатывались и исследовались рядом отечественных (Ширман Я.Д., Стратонович и др.) и зарубежных ученых (Монзинго, Миллер и др.). Однако, в их работах не нашли должного отражения MIMO-системы (Multiply Input - Multiply Output), основанные на использовании активных фазированных антенных решеток (АФАР), излучающих семейство сигналов для одновременного повышения разрешающей способности по дальности, радиальной скорости и угловой координаты. Для анализа потенциальных характеристик таких систем сигналов используется обобщенная функция неопределенности MIMO-радаров, введенная в трудах зарубежных ученых, например в коллективной монографии «М/МЭ-radar» под редакцией Jan Li и Petre Stoica.

Необходимо отметить, что практика применения современных методов и техники противодействия радиолокационному обнаружению показала, что эффективную поверхность рассеяния (ЭПР) объектов, выполненных по особой технологии, можно снизить существенно. Поэтому традиционные методы радиолокации в условиях противодействия обнаружению и распознаванию уже недостаточно эффективны, в связи с чем перспективен поиск новых методов надежного обнаружения и распознавания объектов любого класса на фоне пассивной помехи, обусловленной отражениями от поверхности. Примером может быть носители PJIC, следящие за профилем поверхности или выполняющее какие-либо другие задачи, а также обнаружение препятствий при полете с огибанием рельефа местности. К перспективным методам современной радиолокации, позволяющим эффективно обеспечивать обнаружение и распознавание любого класса объектов, относят:

— использование широкополосных или сверхширокополосных сигналов;

— обнаружение объектов и определение их координат по анализу собственного радиотеплового излучения (пассивная локация);

-комплексное применение активных и пассивных радиотехнических систем;

- использование в системах различных диапазонов радиоволн (в том числе и редко применяемых для данных целей) и др.

При обнаружении низкорасположенных объектов временные и спектральные характеристики эхосигналов от них и пассивных помех мало отличаются. Поэтому прямое применение спектральных методов не даст результатов. Необходимо использовать дополнительные отличительные признаки для обнаружения. Одними из таких признаков могут быть пространственные различия объектов и поверхностей или сочетание доплеровского эффекта с пространственными различиями, что позволяет обнаруживать медленно движущиеся объекты. Поэтому основной задачей становится подавление пассивной помехи на основе ее пространственной корреляции в каналах приемного устройства в совпадающие моменты времени.

Отражения от малоразмерного объекта, находящегося в приповерхностном слое, изменяют пространственную коррелированность сигналов в соседних каналах антенной решетки, и это может служить признаком для различения эхосиг-нала от цели на фоне пассивной помехи.

При наклонном облучении плоской отражающей поверхности (или с гладким рельефом) отражения приходят в пределах диаграммы направленности в угломестной плоскости последовательно во времени и с изменяющихся во времени направлений в процессе формирования отражений. Отражения приходят одновременно: от цели и отражающего участка поверхности, соответствующего импульсному объему, спроецированному на поверхность, с той же дальностью в пределах диаграммы направленности в угломестной плоскости. В этом случае угломестное положение отражающей системы: цель-участок поверхности отличается от угломестного положения этого участка, что может служить признаком для обнаружения цели на фоне мощных отражений от поверхности.

На основе известных направлений на одновременно отражающие участки поверхности в пределах интервала разрешения по углу места, можно произвести компенсацию отражений от поверхности, используя значения парциальных диаграмм направленности, соответствующие угловому положению каждого одновременно отражающего участка поверхности. Отражения от объекта, находящегося вблизи поверхности для импульсных РЛС, не будут скомпенсированы, и объект будет обнаружен.

Целью диссертационной работы является повышение отношения сигнал-помеха плюс шум в приповерхностной локации медленно движущегося малоразмерного объекта на основе применения принципов MIMO-локации.

Задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:

1. Произвести выбор и анализ системы сигналов для М/Л/О-системы на основе обобщенной функции неопределенности, характеризующей семейство сигналов по разрешающей способности одновременно по дальности, доплеров-скому приращению частоты и угловой координате.

2. Выбрать и обосновать параметры системы MIMO для эффективного подавления пассивной помехи.

3. Разработать адаптивный алгоритм обнаружения объектов в приповерхностном слое на основе обработки пространственно-временных сигналов.

4. Оценить сравнительную эффективность алгоритма.

Объектом исследования являются отраженные радиолокационные сигналы, в аддитивной смеси с пассивной помехой, обусловленной отражениями от подстилающей поверхности.

Предметом исследования являются методы обработки пространственно-временных отраженных радиолокационных сигналов с целью повышения помехоустойчивости РЛС.

Методы исследования основаны на теории обработки пространственно-временных сигналов в радиолокации. Использованы методы компьютерного моделирования, цифровой обработки сигналов, статистической радиотехники и теория радиолокации. Численные расчеты и компьютерное моделирование выполнено в программной среде MATLAB.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Предложено использовать современное технологическое решение в виде системы MIMO для радиолокационных целей.

2. Предложен инструмент анализа системы сигналов MIMO с помощью обобщенной функции неопределенности с пространственной координатой (угол места).

3. Проведен анализ обобщенных функций неопределенности для радиолокационных сигналов, обеспечивающих функционирование системы MIMO.

4. Предложен алгоритм формирования «скользящего» нулевого значения эквивалентной диаграммы направленности системы MIMO вдоль подстилающей поверхности в процессе формирования отражений от нее при наклонном зондировании.

Практическая значимость работы

Использование системы MIMO с семейством ортогональных сигналов (разнесенных по частоте и по пространству) показало, что ее применение расширяет зону равномерного радиолокационного облучения на 2-2,5° при использовании парциальной диаграммы направленности шириной 6°.

Система MIMO эффективнее подавляет помеху при наклонном облучении, когда по предложенному алгоритму производится отклонение нулевого значения эквивалентной ДН от равносигнального направления (РСН) вниз (к перпендикуляру к поверхности). Эффективность увеличивается с увеличением отклонения от РСН и достигает 10 дБ в крайнем положении. При отклонении нулевого значения эквивалентной ДН вверх по углу места (от поверхности), эффективность системы MIMO достигается за счет, недостаточно широкой суммарной ДН в этой

области у простой системы.

Применение алгоритма формирования двух нулевых значений эквивалентной ДН в отражающем участке одного элемента разрешения по дальности позволяет повысить отношение сигнал-помеха до 30 дБ.

Положения, выносимые на защиту: 1. Анализ обобщенных функций неопределенности выявил, что суммарная диаграмма направленности системы MIMO расширяется по углу по сравнению с аналогичной диаграммой направленности системы SIMO (Single Input Multiple Output).

2. Анализ обобщенных функций неопределенности показал, что формирование нулевых значений эквивалентной ДН при отклонении от равносигналь-ного направления (РСН) у системы MIMO приводит к повышению отношения сигнал-помеха относительно системы SIMO.

3. Формирование двух нулевых значений эквивалентной диаграммы направленности в направлении на одновременно отражающий участок одного элемента разрешения по дальности может увеличить отношение сигнал-помеха, в некоторых случаях до 30 дБ.

Внедрение результатов работы. Полученные в работе результаты приняты к внедрению в учебный процесс на кафедре Теоретических основ радиотехники Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге для дисциплин: «Радиотехнические цепи и сигналы», «Современные алгоритмы обработки сигналов», «Алгоритмы обработки пространственно-временных сигналов» по направлениям «Радиотехника» подготовки инженеров и магистров. Также результаты диссертационной работы внедрены в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Инженерно-технологической академии Южного федерального университета» при выполнении научных работ на кафедре теоретических основ радиотехники по г/б НИР 301*38-11/2013-3, а также используются в разработках Научно-конструкторского бюро цифровой обработки сигналов ЮФУ.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях.

X Всероссийская научная конференция молодых ученых, студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», 2010 г., Таганрог.

Всероссийская научная конференция «Современные исследовательские и образовательные технологии», 2010 г., Таганрог.

Международная научная конференция «Перспективы развития гуманитарных технических систем», 2011 г., Таганрог.

XI Всероссийская научная конференция молодых ученых, студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», 2012 г., Таганрог.

Международная научная конференция «Инновационные процессы в гуманитарных, естественных и технических системах», 2012 г., Таганрог.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей, в том числе 2 из них в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа написана на русском языке, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 121 страницах, из которых 93 машинописных страниц, 54 рисунка, 32 таблиц и списка литературы из 50 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлено обоснование актуальности темы, сформулированы цель и задачи, указаны научная новизна и практическая значимость, описаны объект и предмет исследования.

В первой главе представлен анализ современного состояния теории и алгоритмов обработки пространственно-временных сигналов MIMO радиолокацион-

ных систем для обнаружения малоразмерных целей на фоне отражений от поверхности Земли.

На рис. 1 приведен пример системы MIMO, осуществляется совместный прием. Излучается три разных сигнала (на рисунке это показано различными линиями: сплошная, пунктирная, штриховая). После переотражения от объекта, приемники принимают смесь сигналов. В каждом приемном канале имеется один фильтр, согласованный на излученный сигнал для данного канала. Затем производится совместная обработка. Особенностью данной системы является использование разных сигналов, сложность заключается в обработке этих сигналов и использовании всей информации для обнаружения и оценки параметров.

Возможны несколько вариантов классификации такой системы:

- по способу зондирования: разнесенные источник и приемник, совмещенные источник и приемник;

- по плотности расположения антенных элементов: источники находятся на близком расстоянии (пол длины волны, плотная антенная решетка), на среднем расстоянии (две — пять длин волн, разреженная антенная решетка) или далеком расстоянии между собой (более десяти длин волн), и приемники находятся между собой на близком, среднем или далеком расстоянии;

- по типам используемых сигналов, а точнее способу их различия: сигналы могут отличаться по форме огибающей, способу модуляции, могут быть ортогональными и не ортогональными, коррелированными и не коррелированными и т.д.; если сигналы излучаются одинаковые, получается традиционная система или SIMO (Single Input - Multiple Output);

- по способу приема: в каждом приемном канале находится один или несколько согласованных фильтров, во втором случае их количество зависит от количества излученных сигналов.

В диссертационной работе используется следующее семейство сигналов: у всех сигналов прямоугольная огибающая, они разнесены по несущей частоте на равные частотные интервалы для повышения их ортогональности, для обеспечения функционирования системы MIMO. Если сигналы будут с одинаковой несущей частотой, получим обычную систему или SIMO - одна антенна на излучение и семейство антенн на прием. С такой системой будем производить сравнение системы MIMO.

Обоснованы цель и задачи, которые надо решить для ее достижения.

Рис. 1

Во второй главе представлены модели сигналов и пассивной помехи, а так же выполнен анализ обобщенных функций неопределенности системы MIMO для различных семейств излучаемых сигналов.

При формировании модели помехи используется гладкая поверхность земли (без холмов и оврагов). Тогда одновременно отражающий участок по углу места при наклонном облучении отражающей поверхности в элементе разрешения по дальности можно аппроксимировать точечной моделью и отражающий участок будет являться равнонаправленным вторичным источником излучения, с коэффициентом отражения, распределенным по нормальному закону. Низколетящий объект считается достаточно малым, по сравнению с элементом разрешения ct„/2, поэтому его так же можно аппроксимировать точечной моделью. Взаимное расположение обнаруживаемого объекта, поверхности и носителя PJTC представлено на рис. 2.

Летательный аппарат является носителем антенной системы РЛС, используемой как на прием, так и на излучение. Антенная система облучает поверхность в секторе углов от а, до а2. Если объект располагается в направлении p¡, тогда участок поверхности, находящийся в одном зондирующем импульсном объеме с этим объектом, будет располагаться в направлении Радиальная протяженность импульсного объема cí/2.

Антенная система формирует диаграммы направленности (приемно-излучающие каналы) с единым фокусным центром и разнесенными максимумами в угломестной плоскости, образуя амплитудную систему. Диаграмм направ-ленностей может быть несколько (от двух до трех), в зависимости от преследуемых целей исследований.

Система MIMO предназначена для излучения в каждом канале (диаграмме направленности) различных (независимых) сигналов. В контексте поставленной цели, радиолокационные сигналы выбраны с различными несущими частотами, а модули комплексных огибающих этих сигналов одинаковы и имеют прямоугольную форму. В работе проведены исследования двух типов радиосигналов: радиосигналы с тональным заполнением и радиосигналы с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ). Прием осуществляется по супергетеродинной схеме, затем производится аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации 100 МГц и затем согласованная фильтрация. Для каждого пространственного канала

на выходах приемной антенной решетки используется свой согласованный фильтр, поскольку каждому каналу соответствует свой сигнал.

Для анализа тех или иных моделей семейства сигналов системы MIMO использовались обобщенные функции неопределенности. Одна из них приведена на рис. 3, где используется система из двух сигналов с прямоугольными огибающими и разнесенных по частоте на 50 кГц.

Сечения вдоль оси задержек т соответствуют корреляционной функции для каждого углового направления. Сечение вдоль угловой координаты 6 соответствует эквивалентной диаграмме направленности. Доплеровское приращение частоты принято равным нулю. Для некоторых времен задержек, в сечении вдоль угловой координаты имеются провалы. Анализ показывает, что эти провалы зависят от степени разнесения несущей частоты используемых сигналов.

Рис. 3

Применив вычитание сигналов с выходов приемных каналов, получим обобщенную функцию неопределенности, сечение которой вдоль оси углов приведено на рис. 4, задержка при этом равна нулю. Далее при анализе эквивалентных диаграмм направленностей используются аналогичные сечения обобщенной функции неопределенности вдоль оси углов при нулевой задержке.

Рис. 4.

На основе анализа обобщенных функций неопределенности сделан вывод, что применение системы сигналов, отличающихся несущими частотами, для MIMO-локатора возможно. Необходимо только что бы спектры излученных сигналов не пересекались основными лепестками. Это требование получено эмпирическим путем, хотя можно получить более строгое определение для разнесения несущих частот или в общем некоррелированности сигналов, но при уменьшении разнесения между несущими частотами начинает искажаться форма сечений вдоль оси углов обобщенной функции неопределенности.

В третьей главе приведены результаты разработки алгоритмов обнаружения малоразмерных объектов в приповерхностном слое на основе пространственной компенсации пассивной помехи одноточечной и двухточечной аппроксимацией одновременно отражающего участка поверхности при ее наклонном облучении.

Поскольку принята точечная модель отражающего объекта и участков поверхности, а также приемо-передающие каналы системы MIMO выполнены на основе амплитудной антенной системы, то методы обработки принятых сигналов во многом совпадают с методами в системе SIMO. Различие заключается в том, что в SIMO обработке подвергается единственный эхосигнал с некоторыми пространственными свойствами, а в MIMO обработке подвергается семейство эхо-сигналов, пространственные свойства которых формируются после совместной обработки. В данном случае первичной обработкой будут являться согласованные фильтры каждого приемного канала, сигналы на выходе этих фильтров можно подвергать традиционной обработке. В связи с этим, имеет место прямое сравнение результатов постобработки обеих систем SIMO и MIMO на всех этапах после согласованной фильтрации.

Показаны преимущества и недостатки аппроксимации отражающего участка поверхности одной и двумя точками. Приведено использование разностного алгоритма для системы MIMO, когда две парциальные ДН вычитаются друг из друга. Тем самым формируется подавление пассивной помехи в системе с аппроксимацией отражающего участка одной точкой. В этой главе так же упомянуто, что лучшим вариантом подавления пассивной помехи будет двухточечная модель аппроксимации отражающего участка в интервале разрешения, пример которой приведен на рис. 9. Но для этого необходимо иметь три приемопередающих канала (с тремя ДН).

Показан алгоритм формирования «скользящего» нулевого значения эквивалентной диаграммы направленности системы MIMO вдоль подстилающей поверхности при наклонном её зондировании. Нули формируются последовательно во времени, для каждого элемента разрешения по дальности. Таким образом, перебирая последовательно все отражающие участки в секторе обзора, подавляются отражения от подстилающей поверхности. И если над поверхностью на некотором возвышении будет находиться объект, то отражения от него не будут подавляться. И в результирующем (после всех обработок) сигнале будет присутствовать выброс, поскольку помеха будет подавлена и сигнал не будет в ней теряться.

Далее приведены два способа формирования нулевых значений эквивалентной диаграммы направленности системы MIMO. Первый способ предполагает априорно известные данные о расположении и форме подстилающей поверхно-

сти, отражения от которой надлежит подавлять. В нем используются пространственно-геометрические выражения для вычисления весовых коэффициентов. Второму способу не требуется данных о подстилающей поверхности, в нем формируется корреляционная матрица, и весовые коэффициенты равны одному из собственных векторов этой матрицы.

В первом способе, для системы MIMO, состоящей из двух парциальных ДН формирование нулевых значений эквивалентной ДН происходит по формуле 2 2

Fx (а) + kF2 (а) = 0. Пример эквивалентной ДН системы MIMO с нулевым зна-

6. град Рис. 5

Для формирования двух нулевых значений эквивалентной ДН формула расчета коэффициентов расширяется до системы из двух уравнений с двумя неизвестными коэффициентами к

(«!) + кгЕг2 (а,) + к^32 («!) = 0, Р}2(а2 ) + к2Р^(а2) + к^(«2) = 0.

где Р(а) - диаграмма направленности соответствующей антенны.

Решение этой системы двух уравнений определяет значений весовых коэффициентов к2 и к3 для одного элемента разрешения по дальности. Для другого элемента разрешения по дальности в системе уравнений изменяются углы а, и а2, и соответственно вычисляются новые весовые коэффициенты.

Структура этого алгоритма представлена на рис. 6. При зондировании одиночным импульсом, с некоторого момента времени начинают приниматься отражения от подстилающей поверхности по трем каналам. Количество отсчетов в одном канале соответствует количеству элементов дальности. Все эти отсчеты записываются в память, на схеме им соответствует верхний левый прямоугольник, затем выполняется операция I. Поскольку априорно известно расположение и форма поверхности, то по известным временным задержкам отраженного сигнала легко вычисляются угловые направления я; и а2 на соответствующий отражающий участок каждого элемента дальности. Для этих углов по формуле (1) рассчитываются коэффициенты к2 и к3 {к,= 1) и записываются в память, аналогично принятым отсчетам, затем выполняется операция II. Производится межканальная весовая обработка принятых отсчетов и последующее суммирование. Получим вектор, являющийся результатом обработки принятых сигналов, коли-

чество отсчетов в нем соответствует количеству элементов дальности при данных условиях зондирования.

II _____

<х)---->|£1 I 1 I I I

I

_

к2__

Рис. 6

Во втором способе вычисляется корреляционная матрица для каждого элемента разрешения по дальности

(2)

б2 ■

• 52

где 5, - отсчет, принадлежащий 1 -му каналу и т.д.

После вычисления корреляционной матрицы, над ней совершается Эйлеров поворот, находятся собственные вектора, и выбирается такой, который соответствует минимальному собственному числу, коэффициенты данного вектора перемножаются с соответствующими приемными каналами, а результаты суммируются. Результирующая эквивалентная ДН для одного элемента разрешения по дальности аналогична эквивалентной ДН, полученной первым способом, которая показана на рис. 5. Поскольку поверхность априорно не известна, то средствами линейной алгебры (Эйлеров поворот) производится оценка направления на отражающий участок. Для более точной оценки, необходимо повысить отношение помеха-шум, которое можно обеспечить, применив пачку зондирующих импульсов, а обработка будет производиться после приема откликов всей пачки.

аи а,2 ап а21 а22 а23 а3| а32 а33

II

ап аа а13 а21 а22 агз а31 а32 а33

21 1 1 I

III

V к,

к.

£1111 1 | кз

Рис. 7

Структура данного алгоритма показана на рис. 7. Верхний левый прямоугольник соответствует накопленным отсчетам по каналам, по элементам дальности и по пачке (накоплению по пачке соответствуют прямоугольники на заднем фоне). Выполняется операция I, в которой для каждого элемента дальности вычисляются корреляционные матрицы по формуле (2). Затем выполняется операция II - суммирование корреляционных матриц по пачке. Операция III заключается в нахождении собственных векторов для каждого элемента дальности. Элементы вектора являются весовыми коэффициентами для приемных каналов. Операция IV производит межканальную весовую обработку и последующее суммирование. Произведение осуществляется по соответствующим элементам дальности. Операция V выполняет суммирование по пачке модулей суммарных обработанных каналов.

В этой главе так же представлена структурная схема последовательности операций над принятым сигналом, представленная на рис. 8.

» X —5 ФНЧ1 —^АЦП!

cos(wnt)

АС

СМ

УПЧ -

90°

П

)ЦСФ

БВО

БО

X

ФНЧ2-

>АЦП1

Рис. 8

На рис. 8 использованы следующие обозначения: АС - амплитудная антенная система на основе АФАР, формирует диаграмму направленности. Несколько диаграмм направленностей разных каналов образуют амплитудную систему с совмещенными фазовыми центрами и раздвинутыми на некоторый угол максимумами ДН. СМ - смеситель, который переносит спектр принятого сигнала на промежуточную частоту. УПЧ - усилитель, настроенный на промежуточную частоту. X - умножители, совместно с фазовращателем на 90° континуального сигнала формируют квадратурные составляющие. ФНЧ - фильтр низких частот, 1 и 2 фильтры выделяют квадратурные составляющие. АЦП - аналого-цифровой преобразователь, в моделировании использовалась частота дискретизации равная 1 МГц. П — память, накапливает отсчеты для последующей фильтрации. ЦСФ — цифровой согласованный фильтр на основе быстрой свертки, для каждого канала свой фильтр. Все выше описанные блоки обведены в прямоугольник, это символизирует, что они находятся в одном приемном канале, которых может быть более двух. Комплексные отсчеты со всех каналов поступают в следующий блок. БВО — блок вычислений и обработки, вычисляет весовые коэффициенты для каждого канала одним из способов, описанных в начале главы, и тем самым производит компенсацию помехи, его возможные структуры приведены на рис. 6 и 7. БО - блок обнаружения, по заданному порогу определяет наличие или отсутствие объектов.

В четвертой главе приведены результаты машинного моделирования алгоритмов и рассчитана эффективность этих алгоритмов.

В первом подразделе четвертой главы показана эффективность использования двухточечной модели аппроксимации отражающего участка в интервале разрешения по сравнению с точечной моделью. Хотя обычно в моделях интервал разрешения представляется точкой в геометрическом центре интервала и для большинства прикладных решений этого вполне достаточно.

Пример двухточечной аппроксимации показан на рис. 9. На нем отражающий участок занимает сектор углов от -0,1° ДО +0,1°, и сформированы два нулевых значения эквивалентной ДН в 6 = ±0,05°, а нулю градусов соответствует равносигнальное направление. Поскольку в реальности отражающий участок непрерывный, то площадь под графиком можно расценивать как неподавленную помеху. Для простой системы, когда будет одно нулевое значение в 6 = 0°, площадь под графиком (неподавленная помеха) будет на порядок больше.

Рис. 9

Выполнено сравнение эффективности системы MIMO и обычной системы {SIMO). Измерялась ширина суммарной диаграммы направленности по уровню 0,707 при одинаковых раскрывах антенной системы. Сравнения проводились для трех величин ширины парциальной ДН 4, 6 и 8 градусов при различных углах между максимумами парциальных ДН, а измерения сведены в таблицы. В результате анализа этих данных можно утверждать, что с увеличением углового разнесения, ширина суммарного канала системы MIMO будет больше, до тех пор, пока провал по центру ДН не превышает уровень минус 3 дБ. Пример суммарной ДН системы MIMO с разнесением ±3,5° для парциальной ДН шириной 6° приведен на рис. 10.

В данном случае диаграммы направленности разностных каналов у системы SIMO и системы MIMO совпадают. Но при формировании нулевого значения эквивалентной ДН в направлении, не совпадающим с РСН, у системы MIMO проявляется лучшее подавление отражений от поверхности. Эта эффективность неодинакова при различных направлениях нулей эквивалентной ДН. Полученные результаты занесены в таблицы, где так же представлены пояснения к ним.

в.град Рис. 10

Кроме того, в этой главе показано, что при условии ортогональности системы зондирующих сигналов, изменение разнесения по частоте между сигналами не влияет на вид и параметры диаграмм направленностей.

А так же приведен анализ влияния доплеровского приращения частоты на обобщенную функцию неопределенности системы MIMO.

Имеются характеристики обнаружения в зависимости от отношения сигнал-помеха и угла возвышения объекта над подстилающей поверхностью. Решающее правило обнаружения выполнено по критерию Неймана-Пирсона, пороговый уровень задан уровнем ложного обнаружения равным ЮЛ

В завершающем подразделе четвертой главы представлены результаты расчета количества каналов дальности (интервалы разрешения по дальности), необходимых для сканирования определенного сектора углов. Летательный аппарат, находясь на высоте от 3 до 10 км, производит сканирование в шестиградусном секторе. Угломестная плоскость разбита на несколько секторов по 6° и подсчитаны элементы дальности, необходимые для аппаратной реализации или выбора частоты повторения зондирующих импульсов, все данные занесены в таблицы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В результате проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие новые научные и практические результаты:

1. В результате анализа системы MIMO с помощью обобщенных функций неопределенности определена возможность применения этой системы для решения задачи подавления пассивной помехи.

2. Выбраны и обоснованы основные свойства системы MIMO и подобраны параметры системы таким образом, чтобы максимально повысить отношение сигнал-помеха плюс шум.

3. В результате машинного моделирования показана эффективность системы MIMO по сравнению с системой, использующей пространственно-временную обработку сигнала на выходах приемной антенной решетки.

4. Разработан адаптивный алгоритм подавления пассивной помехи. Адаптивность заключается в том, что подавление помехи производится непрерывно по всей поверхности в области сектора обзора. Кроме того принцип данного алгоритма может быть использован в других системах, где имеются непрерывные по направлению источники помех в локационных системах MIMO.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Авилов А.И., Федосов В.П. Анализ обобщенной функции неопределенности в координатах: «задержка и направление» для системы ортогональных по частоте зондирующих сигналов // Материалы Всероссийской научной конференции «Современные исследовательские и образовательные технологии» - часть 4 - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. - С. 4 - 12; Федосов В.П., Авилов А.И., Евдокимова Е.О., Муравицкий Н.С., Терновой Д.О., Чан Т.С. Адаптивные алгоритмы обработки пространственно-временных сигналов MIMO-систем в радиолокации и беспроводных системах связи. // Цифровая обработка сигналов и её техническое приложение в телекоммуникационных системах: монография / под ред. Марчука В.И., ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса». - Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2010. - С.96 - 121;

Авилов А.И. Анализ эффективности использования АФАР для подавления отражений от поверхности земли // Известия ЮФУ. Технические науки №1 (114) 2011-С. 57-61.

Авилов А.И., Влияние эффекта Доплера на обобщенную функцию неопределенности активной фазированной антенной решетки РЛС MIMO// Материалы Международной научной конференции «Перспективы развития гуманитарных технических систем» - часть 3 - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. - С. 4-7.

Авилов А.И. Влияние на обобщенную функцию неопределенности MIMO доплеровского приращения частоты // Материалы Международной научной конференции «Инновационные процессы в гуманитарных, естественных и технических системах» - часть 2 - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2012. - С. 4 -10.

Авилов А.И., Федосов В.П. Модель применения системы MIMO для подавления отражений от поверхности земли диаграммообразующим способом // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона» №2 2013 г. http://ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1741

Типография Южного федерального университета в г. Таганроге пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская обл., ГСП-17А, 347928 Заказ № 386, тираж 100 экз.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Южный федеральный университет»

04201457020

Авилов Артем Игоревич

АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ

СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ФОНЕ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Специальность: 05.12.04 - «Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения»

Руководитель: проф., д.т.н.

Федосов В.П.

На правах рукописи

Оглавление

Введение...................................................................................................5

Глава 1. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ МЕТОДОВ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НА ФОНЕ ОТРАЖЕНИЙ ОТ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ....................................................................11

1.1. Алгоритмы на основе селекции движущихся целей..............................11

1.2. Алгоритм обнаружения целей в приповерхностном слое на основе моноимпульсной РЛС с мгновенной АРУ......................................................13

1.3 Пространственно-временной метод контроля параметров движения масс на границах раздела сред.........................................................................16

1.4 Пространственно-временной компенсатор донных отражений при наклонной гидролокации..................................................................................18

1.5 Перспективное направление развития радиолокации - MIMO..............20

1.5. Выводы........................................................................................................22

Глава 2. МОДЕЛИ И СИГНАЛЫ........................................................23

2.1. Модель отражающей поверхности...........................................................24

2.2. Геометрическая модель взаимного расположения носителя и подстилающей поверхности.............................................................................25

2.3. Модели сигналов........................................................................................26

2.4. Функции неопределенности сигналов.....................................................31

2.5. Выводы........................................................................................................42

Глава 3. АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ СИГНАЛОВ НА ФОНЕ ОТРАЖЕНИЙ ОТ ПОВЕРХНОСТИ...................................................................................43

3.1. Основные методы для подавления пассивной помехи..........................43

3.3. Применение системы MIMO для формирования эквивалентной диаграммы направленности.............................................................................47

3.4. Использование собственных векторов для формирования нулевых значений в эквивалентной ДН.........................................................................52

3.5 Структурная схема операций над принятым сигналом..........................57

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МАШИННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ . 60

4.1. Результаты эффективности использования двухточечной аппроксимации отражающего участка поверхности.....................................60

4.2. Эффективность системы MIMO по сравнению с простой системой.... 64

4.3.Влияние разнесения сигналов по частоте для обеспечения системы MIMO на параметры диаграмм направленностей в различных ситуациях. 72

4.4. Влияние на обобщенную функцию неопределенности системы MIMO

доплеровского приращения частоты...............................................................74

4.5 Выбор оптимальных параметров системы MIMO при формировании двух нулевых значений эквивалентной ДН....................................................80

4.6 Расчет характеристик обнаружения..........................................................87

4.7 Анализ количества элементов дальности.................................................90

4.8 Выводы.........................................................................................................93

Заключение............................................................................................94

Список использованной литературы..................................................95

ПРИЛОЖЕНА...................................................................................101

Приложение 1 Программа сравнения эквивалентных диаграмм направленностей..............................................................................................105

Приложение 2 Программа расчета обобщенной функции неопределенности для двухэлементной системы.........................................................................107

Приложение 3 Программа расчета обобщенной функции неопределенности для трехэлементной системы.........................................................................112

Приложение 4 Программа моделирования работы алгоритма подавления помехи с использованием собственных чисел корреляционной матрицы 119

Приложение 5 Программа расчета количества элементов дальности.......122

Введение.

Актуальность работы. Анализ результатов зарубежных и отечественных исследований показывает, что одним из основных направлений совершенствования радиолокационных систем является разработка новых методов обнаружения малозаметных воздушных и наземных (морских) объектов, а также поиск новых систем обработки радиолокационных сигналов на фоне отражений от подстилающей поверхности.

Такие методы и алгоритмы разрабатывались и исследовались рядом отечественных (Ширман Я.Д., Стратонович и др.) [13] и зарубежных ученых (Монзинго, Миллер и др.). Однако, в их работах не нашли должного отражения MIMO-системы (Multiply Input - Multiply Output), основанные на использовании активных фазированных антенных решеток (АФАР), излучающих семейство сигналов для одновременного повышения разрешающей способности по дальности, радиальной скорости и угловой координаты. Для анализа потенциальных характеристик таких систем сигналов используется обобщенная функция неопределенности MIMO-радаров, введенная в трудах зарубежных ученых, например в коллективной монографии «MIMO-radar» под редакцией Jan Li и Petre Stoica [9].

Необходимо отметить, что практика применения современных методов и техники противодействия радиолокационному обнаружению показала, что эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) объектов, выполненных по особой технологии, можно снизить существенно. Поэтому традиционные методы радиолокации в условиях противодействия обнаружению и распознаванию уже недостаточно эффективны, в связи с этим перспективен поиск новых методов надежного обнаружения и распознавания объектов любого класса на фоне пассивной помехи, обусловленной отражениями от поверхности. Примером может быть носитель PJIC, следящий за профилем поверхности или выполняющий какие-

либо другие задачи, а так же обнаружение препятствий при полете с огибанием рельефа местности. К перспективным методам современной радиолокации, позволяющим эффективно обеспечивать обнаружение и распознавание любого класса объектов, относят [1]:

- использование широкополосных или сверхширокополосных сигналов;

- применение многопозиционной радиолокации;

- обнаружение объектов и определение их координат по анализу собственного радиотеплового излучения (пассивная локация);

- комплексное применение активных и пассивных радиотехнических систем;

- использование в системах различных диапазонов радиоволн (в том числе и редко применяемых для данных целей) и др.

Известно, что алгоритм будет применяться на летательном аппарате, поэтому применение многопозиционной радиолокации неуместно. Применение пассивных методов локации связано с маскировкой радиолокационной станции, а это не требуется [3]. Возможным методом, техническая реализация которого может быть установлена на летательном аппарате, является моноимпульсный метод локации [14]. Это один из перспективных методов с широкополосным сигналом, в котором применяются одиночные сверхкороткие и мощные СВЧ-импульсы.

Задача обнаружения это дать ответ имеется определяемый объект в заданной области или нет. В заданной ситуации это не простая задача, так как необходимо обнаруживать объект над поверхностью земли. Одной из самых интенсивных помех при обнаружении объектов, расположенных вблизи или на поверхности, являются отражения от этих поверхностей, маскирующие эхосигнал от объекта. При обнаружении низкорасположенных объектов временные и спектральные характеристики эхосигналов от них и пассивных помех мало отличаются. Поэтому прямое применение спектральных методов не даст результатов. Необходимо использовать дополнительные отличительные признаки для обнаружения. Одними из

таких признаков могут быть пространственные различия объектов и поверхностей или сочетание доплеровского эффекта с пространственными различиями, что позволяет обнаруживать медленно движущиеся объекты [2]. Поэтому основной задачей становится подавление пассивной помехи.

Подавление пассивной помехи основано на высокой пространственной корреляции отражений в двух диаграммах направленности, пересекающихся в угломестной плоскости, когда одни и те же отражения от участков поверхности на раскрывы парциальных антенн приходят одновременно. Отражения от малоразмерного объекта, находящегося в приповерхностном слое, изменяют пространственную коррелированность сигналов в соседних каналах, и это может служить признаком для различения эхосигнала от цели на фоне пассивной помехи.

При наклонном облучении плоской отражающей поверхности (или с гладким рельефом) отражения приходят в пределах диаграммы направленности в угломестной плоскости последовательно во времени и с изменяющихся во времени направлений в процессе формирования отражений. Отражения приходят одновременно: от цели и отражающего участка поверхности, соответствующего импульсному объему, спроецированному на поверхность, с той же дальностью в пределах диаграммы направленности в угломестной плоскости. В этом случае угломестное положение отражающей системы: цель-участок поверхности отличается от угломестного положения этого участка, что может служить признаком для обнаружения цели на фоне мощных отражений от поверхности.

На основе известных угловых направлений на одновременно отражающие участки поверхности в пределах интервала разрешения по углу места, можно произвести компенсацию отражений от поверхности, используя значения парциальных диаграмм направленности, соответствующие угловому положению каждого одновременно отражающего участка поверхности. Отражения от объекта, находящегося вблизи поверхности для импульсных РЛС, не будут скомпенсированы, поскольку

его угловое положение отлично от углового положения отражающего участка поверхности, и объект будет обнаружен [6].

Целью диссертационной работы является повышение отношения сигнал-помеха плюс шум в приповерхностной локации медленно движущегося малоразмерного объекта на основе применения принципов М/А/О-локации.

Задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:

1. Произвести выбор и анализ системы сигналов MIMO-системы на основе обобщенной функции неопределенности, характеризующей семейство сигналов по разрешающей способности одновременно по дальности, доплеровскому приращению частоты и угловой координате.

2. Выбрать и обосновать параметры системы MIMO для эффективного подавления пассивной помехи.

3. Разработать адаптивный алгоритм обнаружения объектов в приповерхностном слое на основе обработки пространственно-временных сигналов.

4. Оценить сравнительную эффективность алгоритма.

Объектом исследования являются отраженные радиолокационные сигналы, в аддитивной смеси с пассивной помехой, обусловленной отражением от подстилающей поверхности.

Предметом исследования являются методы обработки пространственно-временных отраженных радиолокационных сигналов с целью повышения помехоустойчивости РЛС.

Методы исследования основаны на теории обработки пространственно-временных сигналов в радиолокации. Использованы методы компьютерного моделирования, цифровой обработки сигналов, статистической радиотехники и теория радиолокации. Численные расчеты и компьютерное моделирование выполнено в программной среде MATLAB.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Предложено использовать современное технологическое решение в виде системы MIMO для радиолокационных целей.

2. Предложен инструмент анализа системы сигналов MIMO с помощью обобщенной функции неопределенности с пространственной координатой (угол места).

3. Проведен анализ обобщенных функций неопределенности для радиолокационных сигналов, обеспечивающих функционирование системы MIMO.

4. Предложен алгоритм формирования «скользящего» нулевого значения эквивалентной диаграммы направленности системы MIMO вдоль подстилающей поверхности в процессе формирования отражений от нее при наклонном зондировании.

Практическая значимость работы

Использование системы MIMO с семейством ортогональных сигналов (разнесенных по частоте и пространству) показало, что её применение расширяет зону равномерного радиолокационного облучения на 2-2,5° при использовании парциальной диаграммы направленности шириной 6°.

Система MIMO эффективнее подавляет помеху при наклонном облучении, когда по предложенному алгоритму производится отклонение нулевого значения эквивалентной ДН от равносигнального направления (РСН) вниз (к перпендикуляру к поверхности). Эффективность увеличивается с увеличением отклонения от РСН и достигает 10 дБ в крайнем положении. При отклонении нулевого значения эквивалентной ДН вверх по углу места (от поверхности), эффективность системы MIMO достигается за счет, недостаточно широкой суммарной ДН в этой области у простой системы.

Применение алгоритма формирования двух нулевых значений эквивалентной ДН на отражающем участке одного элемента разрешения по дальности позволяет повысить отношение сигнал-помеха до 30 дБ. Положения, выносимые на защиту:

1. Анализ обобщенных функций неопределенности выявил, что суммарная диаграмма направленности системы MIMO расширяется по углу по сравнению с аналогичной диаграммой направленности системы SIMO (Single Input Multiple Output).

2. Анализ обобщенных функций неопределенности показал, что формирование нулевых значений эквивалентной ДН при отклонении от равносигнального направления (РСН) у системы MIMO приводит к повышению отношения сигнал-помеха относительно системы SIMO.

3. Формирование двух нулевых значений эквивалентной диаграммы направленности в направлении на отражающий участок одного элемента разрешения по дальности может увеличить отношение сигнал-помеха, в некоторых случаях до 30 дБ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей, в том числе 2 из них в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ, а так же 1 в коллективной монографии.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа написана на русском языке, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Изложена на 121 страницах, из которых 93 машинописных страниц, 54 рисунков, 32 таблиц и списка литературы из 50 наименований.

Глава 1. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ МЕТОДОВ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НА ФОНЕ ОТРАЖЕНИЙ ОТ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ

1.1. Алгоритмы на основе селекции движущихся целей

Низкорасположенные движущиеся объекты наделяют зондирующие сигналы доплеровским смещением частоты. Поскольку система, состоящая из радиолокационной станции (РЛС), подстилающей поверхности и объекта над ней, является линейной, то принятый отраженный сигнал будет являться аддитивной смесью отражений от поверхности и отражения от объекта.

Алгоритмы на основе селекции движущихся целей используют спектральные различия в отраженном сигнале [47]. Как правило, излучается узкополосный сигнал, но отраженный от подстилающей поверхности сигнал так же будет узкополосным, и его спектральное положение будет аналогично излученному сигналу (или смещено в соответствии с движением РЛС относительно подстилающей поверхности). Отражения от движущегося объекта будут отличаться от отражений от подстилающей поверхности в спектральной области тем сильнее, чем быстрее движется объект в радиальной проекции относительно РЛС.

В данных алгоритмах используются доплеровские фильтры. Несколько полосовых фильтров настроены на различные частоты вблизи несущей частоты зондирующего импульса. При наличии движущегося объекта, на одном из фильтров возникнет отклик. По величине отклика можно судить об отражающей способности объекта в направлении на РЛС, а по номеру фильтра можно судить о радиальной скорости этого объекта относительно РЛС.

Недостатком этого метода является то, что отражения от медленно движущихся объектов будут маскироваться отражениями от подстилающей

поверхности. Поскольку отражения от подстилающей поверхности более интенсивны.

Для режима доплеровского заострения луча в работе [4] предложено использовать пространственные различия для компенсации помеховых спектральных компонент. Для этого используются суммарный и разностный каналы. Структурная схема алгоритма компенсации приведена на рис. 1.1.

Кс[к]

ад . S N х

ЗД

А

SK[k]

Рис. 1.1 Структурная схема алгоритма компенсации помеховых

спектральных компонент

Выражение для спектров на выходе компенсатора помех

где к - индекс, обозначающий номер отсчета спектра принятого сигнала в одном канале дальности, совпадающий с но�