автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Исследование имитационных алгоритмов преобразований сложномодулированных радиолокационных сигналов для проведения измерений параметров радиолокационных станций

Нгуен Хыу Тхань

На правах рукописи

ИССЛЕДОВАНИЕ ИМИТАЦИОГОЕЫХ АЛГОРИТМОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ СЛОЖНОМОДУЛИРОВАННЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ

Специальность: 05.12.14 - Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I

Санкт-Петербург - 2005

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Калениченко С. П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ушаков И. Е

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Генкин В. А.

Ведущая организация - Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова.

Защита состоится " 2005 г. в ¿О часов на заседании диссерта-

ционного совета Д 212.238.03 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « (26» 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Баруздин С. А.

^ЧЪ 5 ^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Разработка новых методов анализа и синтеза РЛС со сложивши квазинепрерывными сигналами и помехоустойчивыми алгоритмами обработки включают аналитический подход (синтез структуры алгоритмов формирования и обработки сигналов), моделирование процессов формирования сигналов и помех, распространения на трассе РЛС- цель пространственно-временной обработки и, наконец, проведение испытаний прототипов по реальным целям в полигонных условиях.

Так как теоретические методы расчетов тактико-технических характеристик (ТТХ) 1 повышения помехозащищенности РЛС различного назначения со сложными квазинепре-

рывными сигналами большой длительности и базы чрезвычайно сложен и не дает точных результатов, большую роль для получения конструктивных результатов проектирования ' РЛС играют практические измерения их ТТХ в полигонных условиях Разработанные ме-

тоды синтеза сигналов и алгоритмов обычно не учитывают их технической реализации Поэтому важную роль при проектировании РЛС имеют методы моделирования процессов преобразования сигналов в трактах РЛС и оценки их качественных показателей на моделях полезных сигналов, помех и алгоритмов обработки, которые могут существенно сократить стоимость разработки и испытаний.

Оценку многих важнейших выходных характеристик когерентных РЛС со сложным зондирующим сигналом на этапе их проектирования, изготовления опытных образцов и типовых испытаний серийных образцов можно производить с помощью имитаторов радиолокационных сигналов различных диапазонов. Такие приборы позволяют имитировать отражения от нескольких неподвижных и движущихся целей на любых рабочих дистанциях с учетом помех.

Таким образом, исследовательскую работу по разработке методов имитации в реальном времени сложных когерентных сигналов, отраженных от флуктуирующих целей, и сигналоподобных помех с различными законами распределения можно считать актуальной.

Цель работы. Исследовать и разработать имитационные алгоритмы трансформации и преобразования сложных когерентных квазинепрерывных радиолокационных сигналов с большой базой в радиолокационном канале (РК) для проведения измерений параметров РЛС в лабораторных и полигонных условиях.

Для реализации поставленной цели автором решаются следующие задачи'

1. Анализ статистических параметров помех от взволнованной морской поверхности и имитационных алгоритмов формирования эхо-сигнала от цели и помехи от моря.

2. Разработка метода моделирования сигналоподобной помехи от морской поверхности с заданными характеристиками функции рассеяния для сложномодулирован-ных когерентных сигналов большой длительности.

3. Разработка цифровой модели сложного сигнала от цели и помехи и верификация модели.

4. Сравнительные исследования прохождения сигналов и помех через РК и тракт об" работки сигналов с оценкой качественных показателей РЛС по основным параметрам (помехоустойчивости при действии отражений от морской поверхности).

5. Разработка методик проверки показателей качества систем обработки сложных радиолокационных сигналов с использованием разработанных цифровых моделей сигналов и помех.

6. Разработка схемных решений имитатора радиолокационных сигналов СВЧ диапазона и проверка ряда характеристик РЛС со сложным сигналом.

Метод исследования. Проводимые исследования базируются на теории статистической радиолокации, теории сложных сигналов, методе статистического моделирования,

методе математического моделирования с луча!

«и корреляционное. НАЦИОНАЛЬНАЯ| БИБЛИОТЕКА С.Пе

09 100 а*«^ V

■г» •

* *

ными (спектральными) характеристиками При проведении численных расчетов и математического моделирования использовались разработанные компьютерные программы Mat-lab 6.5.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложен и реализован новый метод построения цифровой модели сложных радиолокационных сигналов, отраженных от сложных целей, и сигналоподобных помех на основе функции рассеяния морской поверхности.

2. В результате анализа и обработки реальных сигналов, отраженных морской поверхностью в трех сантиметровом диапазоне электромагнитных волн, были получены основные статистические характеристики, которые позволили разработать статистическую ' модель отражений от моря. Исходной характеристикой статистической модели помех от

морской поверхности послужила функция рассеяния (ФР) морской поверхности при низком расположении антенны РЛС.

3. Доказана адекватность цифровой модели помех, формируемой на ПЭВМ с реальными данными измерений отражений от морской поверхности на псевдокогерентной РЛС «Лоция-М» Показано, что на основе разработанной модели можно сформировать сигна-лоподобную помеху с заданными корреляционно-спектральными свойствами, плотностью распределения вероятностей (ПРВ) амплитуд и нестационарностью.

4. Разработана цифровая модель радиолокационного канала с использованием сложного когерентного сигнала произвольной формы, включающая формирователь множества движущихся и неподвижных целей, сигналоподобную помеху с заданной ФР, систему обработки- обнаружитель-измеритель дальности целей на фоне помех и шума приемника при стабилизации ложных тревог.

Практическая ценность.

Полученная модель сигналоподобной помехи и эхо-сигналов от цели может бьггь использована в имитаторе микроволнового диапазона.

Предложенные имитатор на цифровой линии задержки (ЦЛЗ) и методики проверки важнейших показателей РЛС полезные для оценки качественных параметров и алгоритма обработки сигналов при проектировании и на стадии предварительных испытаний образцов (прототипов) РЛС микроволнового диапазона в лабораторных, цеховых и полигонных условиях.

Предложенные модель радиолокационного канала и методика построения характеристики обнаружения полезны для оценки качественных показателей обнаружения сигнала на фоне коррелированных пассивных помех (отражений от морской поверхности, метеообразований и т.п.) непрерывного и разрывного характера.

Реализация результатов работы. Результаты работы могут бьггь применены научно-исследовательскими, производственными и эксплуатационными-организациями. Разработанные имитаторы существенно упростят разработку новых и совершенствование штатных морских когерентных РЛС микроволнового диапазона с простыми и квазинепрерывными сигналами. Методики расчетов с использованием моделей сигналов и помех целесообразно использовать в НИР, ОКР и в учебном процессе.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Цифровая модель сигналоподобной помехи от моря для одноантенной морской РЛС со сложными сигналами произвольной формы, построенная на основе функции рассеяния морской поверхности.

2. Цифровая модель эхо-сигналов от морских целей для одноантенной РЛС со сложными сигналами.

3. Цифровая модель радиолокационного канала (РК) для оценки качественных показателей и алгоритмов обработки сигналов когерентных РЛС, использующих сложные квазинепрерывные сигналы. Результаты исследования прохождения смеси сигнала, сигналоподобной помехи и шума через приемный тракт цифровой модели РК.

4. Методика и алгоритм построения характеристики обнаружения (ХО) цели на фоне коррелированных пассивных помех методом статистического моделирования. Сравнительная оценка качества согласованной и рассогласованной обработки на примере сигнала ФМ по закону кода Баркер 13 символов.

Апробация работы. Представленные в диссертации материалы были апробированы в докладах на всероссийской научно-технической конференции «Информационно-телекоммуникационные технологии» (Сочи, 2004), конференциях НИИ «Прогноз» СПб ГЭТУ в 2002-2004 гг., в журнале Известия ГЭТУ «ЛЭТИ» за 2004 г, в журнале Известия вузов России, сер. «Радиоэлектроника», за 2004.

Публикация по работе. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, из них - 2 статьи и тезисы к 3-м докладам на российских научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы, включающего 92 наименований, и 2-х приложений. Основная часть работы изложена на 143 страницах машинописного текста. Работа содержит 81 рисунка и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформированы цели и задачи работы, перечислены основные результаты диссертационной работы, определены практическая ценность и область применения результатов, приведены сведения об апробации работы и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 приведены основные математические модели радиолокационных эхо-сигналов от целей и морской поверхности. Рассмотрены рэлеевская и некоторые из нерэ-леевских моделей флуктуаций амплитуд эхо-сигналов, в том числе четырехлучевая модель флуктуаций ЭПР морских целей, построенная на основе феноменологической теории рассеяния радиоволн на телах вблизи границы раздела. Рассмотрены также гауссовская и некоторые негауссовские модели пассивных помех. Показана одна из классических моделей пассивных помех, основанная на основе двухмасгитабной модели морской поверхности. На основе описанных математических моделей рассмотрен ряд методов имитации сигналов, отраженных от морских целей и морской поверхности по высокой, промежуточной и видео- частоте и несколько типовых схем имитаторов. Общий метод имитации ВЧ эхо-сигналов заключается в формировании тонкой структуры сигнала на более низкой промежуточной и видеочастоте, а затем преобразования его в область высоких частот.

Отмечены основные недостатки различных типов имитаторов, заключающиеся в невозможности имитации сложномодулированных сигналов от многоточечных целей и подстилающей поверхности. Это дает обоснование о целесообразном переходе к новой схеме имитации эхо-сигналов (на основе ЦЛЗ) Также отмечена необходимость построения новой модели сигналоподобной помехи и эхо-сигналов от цели для когерентных РЛС со сложномодулированным сигналом большой базы произвольной формы, работающих в квазинепрерывном режиме.

В главе 2 рассматривается вопрос построения модели сигналоподобной помехи для зондирующих сложных сигналов с большой базой и произвольной модулирующей функцией. В основу построения модели заложено спектральное представление помех. В микроволновом диапазоне, сглаженный за большой промежуток времени интегрирования, спектр помех имеет гауссовскую огибающую от нулевого уровня и до уровня -(15...30) дБ и сосредоточен вблизи несущей частоты сигнала. Учитывая общий доплеровский сдвигу^п спектра пассивной помехи от моря, выборка гауссовского комплексного случайного процесса флуктуаций пассивной помехи для одного элемента дальности может представлена в виде [3]

<*/)=*. £ехр|-(«А/)2/(2ст^)}ехр(/[2тс(м/+ /я > + <р0„| 0</<7\ (1)

где /р » тк]1 - время реализации процесса; Ти1 - время корреляции помехи от моря; 2Ы -количество учитьшаемых гармоник; А/" - шаг по частоте; <р0п - начальная фаза и-ой гармоники, равномерно распределенная в интервале [0,2п\; величина п/ = 1/(2А/1П) характеризует эффективную ширину А/т спектра флуктуаций процесса на уровне половины мощности; ки - нормирующий коэффициент. При достаточно большом в силу центральной предельной теоремы теории вероятности процесс с(/) имеет нормальное распределение. Комплексный сложномодулированный излучаемый РЛС сигнал представляется в виде

(0=^о (' )ехр[/2я/0Г ], (2)

где $0(/) = ^(/)ехр[у'ф(/)] - комплексная модулирующая функция; Л(г) и <р(г) - амплитудный и фазовый законы модуляции сигнала соответственно; /о - несущая частота Основой принципа синтеза пассивной помехи служат следующие физические соображения при рассеянии сигналов протяженной целью (типа земной или морской поверхности).

- Эхо-сигнал на входе приемника в силу линейности процесса можно считать аддитивной суммой сигналов, отраженных от т раздельно независимых разрешаемых участков морской поверхности.

- Эхо-сигналы перекрываются во времени.

Учитывая нестационарность процесса по дальности, выражающаяся функцией задержки /(т), из (1) и (2) получим модель протяженной сигналоподобной помехи на низкой (околонулевой) частоте для произвольного вида излучаемых сигналов

-^^}ехрОМиД/ + /яп> + <р0„]}; при 0 <( <Г, ^

0, при 1 > Т.

В модели (3), функция /(т) з [Рп (т)]^2 нестационарности, выражающая зависимость средней мощности помехи (для данного элемента дальности И) от задержки, определяется уравнением радиолокации

2Я>со8в 0 1 '

где к = Р/}^Х2Ьп/(4-я)3; Ри - пиковая мощность передатчика РЛС; во - коэффициент усиления антенны; Ь„ — коэффициент потерь по мощности на обработку сигнала в РЛС; С(с) - нормированная ДНА по мощности в вертикальной плоскости; Фг - ширина ДНА в горизонтальной плоскости по половине мощности; т„ - длительность зондирующего импульса; ст0- средняя удельная эффективная площадь рассеяния (УЭПР) морской поверхности на дальности Я, - коэффициент освещенности, зависимый от соотношения текущей дальности Я к критической Л^,:

( 6 при

^"[б^У при Величина а0 является функцией многих переменных: ст0 = /(в, X, V,, ср, р]; где 9, [град] - угол скольжения; V,, [м/сек] - скорость ветра, образующего морскую волну; (р, [рад] - азимут облучения; р - поляризация. На практике а0 обычно определяется экспериментально. На основе анализа экспериментальных данных приведена обобщенная эм-

лирическая модель УЭПР

ст0[дБ]=-10[1/1^1,1-0.lv, +10е)+(4,5-0>6у,)+0,3(ф/я + зтф)], (5)

Формулы (5) распространены лишь на область малых 9 (0 < 20°) и для случае вертикальной поляризации. При горизонтальной поляризации и волнении до 5 баллов сделать поправку к расчетам по этой формуле на -(6 - 8) дБ.

Модели помех на ВЧ (ПЧ) полечены путем переноса спектра модели (3) на соответствующие диапазоны частот (/о или /т)

".ч (0 = и(фхр[/2*/0г]; й т (?) = й(/)ехр[/2я/пч/]. (6)

Таким образом, получены модели сигналоподобной помехи для разных диапазонов [выражения (3) и (6)] с учетом нестационарности по дальности (4).

С целью верификации модели и получения основных статистических характеристик реальных пассивных помех проведена обработка записей сигналов, рассеянных морской поверхностью. На основании большого количества записи реальных сигналов, измеренных на полигоне на побережье Финского залива в течение времени нескольких суток, был выделены ансамбли реализаций сигналов для обработки. При измерении скорость ветра V, = 4 м/сек и высота антенны РЛС йа = 8 м.

Таблица 1 Оценка ГТРВ амплитуд реальных помех от моря

Дальность, м Я1 Яг Яз 1*4 118

100 150 200 250 300 350 400 450

9,° 4,59 3,05 2,29 1,83 1,53 1,31 1,14 1,01

1 <-1 4,89 12,52 17,86 13,34 9,73 6,98 6,34 5,62

1,39 1,38 3,96 2,68 1,48 0,79 1,08 1,18

£ хБ

-10

Запись произведена через каждый сектор по Др = 5° при неподвижной антенне. Время интегрирования помехи составляет 10с. При обработке сигналов использованы приложения МаЙаЬ6.5. Основные результаты обработки реальных помех от моря показаны в работе [3]. На рис. 1 показана спектральная плотность мощности (СПМ) помехи на элементах дистанций 200 и 400 м. При оценке СПМ использован метод Уэлча с количеством точек при операции быстрого преобразования Фурье (БПФ) ЛЪпф = 2048, и окном Хэмминга с пе-

/*г»

Рис. 1. Спектр реальной пассивной помехи от моря.

Рис. 2. ПРВ амплитуд реальной пассивной помехи от моря.

рекрытием на 50%. Видно, что спектр имеет гауссовой вид со сдвигом моды на -65 Гц и шириной 2Д/"ЭП = 45 Гц. На рис. 2 показаны ПРВ амплитуд отражений от моря на разных дальностях.

Известно, что ПРВ амплитуд подчиняет рэлеевскому закону для РЛС с невысоким разрешением (8Л = 50 -г- 200 м) и при не очень малых углах скольжения (0 > 3°). При высокой разрешающей способности РЛС и/или очень малых углах скольжения распределение амплитуд может быть аппроксимировано нерэлеевскими: логнормальным, составным

логнормальным, составным нормальным законами, а также распределением Вейбулпа, К-распределением и другими.

Была проведена проверка гипотез о рэлеевском распределении амплитуд для отдельных элементов дальности Л = Л, + Л, (объем каждой выборки гго п = 2048) по критерию Колмогорова при уровне значимости а = 0,05 (пороговое значение статистики Колмогорова соответствует П = 1,36) В табл. 1 представлены значения оценочной статистики X = ■у/й'д (Д - наибольшее отклонение гипотетической вероятности от наблюденной относительной частоты) и оценочного параметра ор распределения. Из табл. 1 видно, что на относительно близких дистанциях (Л = 100-^300м) значение А. > П и можно отвергнуть

гипотезу о рэлеевском распределении. Значение X < П для дистанций Л = 350, 400, 450 м, и в этом случае можно говориться о рэлеевском распределении амплитуд эхо-сигналов от моря. Нерэлеевское распределение обусловлено высоким разрешением по дальности (8Л = 15м). В этом случае появляющееся некоторое противоречие о приближении распределения к рэлеевскому при малых углах скольжения (9 <1,3") предположительно можно объяснить увеличением количества элементарных отражателей при уменьшении углов скольжения и незначительном влиянии затенения из-за слабого волнения (2 балла).

Функция рассеяния. На рис. 3 показана ФР реальных помех, полученная при обработке результатов записей помех от моря для дистанций Я = 110-=- 525 м с временем реализации /р = 1,366 с методом оценки

СПМ Уэлча [3]. Видна нестационарность отражения от моря и с дистанции Я > 450м (т > 3мкс) уровень помехи становится меньше, чем уровень шума приемника. Небольшая максимальная дальность пассивных помех обусловлена слабым волнением (2 балла) во время проведения измерений.

Таким образом, получены основные статистические характеристики СПМ, ФР и ПРВ амплитуд реальных пассивных помех, которые позволили разработать статистическую модель сигналоподобной помехи от морской поверхности при низком расположении антенны когерентной РЛС.

Моделирование сигналоподобных пассивных помех

Сигнал !,(/)> согласно теореме Котельникова, может представиться в дискретном виде (') = я, [&]= 5, (Мг), где интервал дискретизации ДГ = 1/2Д/, а Д/, - эффективная ширина спектра сигнала £,((). Однако, для сложных сигналов вследствие интерференции и наложения отраженных сигналов на входе приемника, ширина спектра эхо-сигналов могут быть в 2 + 5 раз шире, чем спектр зондирующего сигнала. Поэтому целесообразно выбрать интервал дискретизации Д/ = (0,25+0,1)/Д/,.

Предположим, сплошная пассивная помеха имеет протяженность по т элементам дальности. Тогда дискретная модель выборки случайного процесса (1) может быть представлена в виде

с(()=с = ||с1с2...с,...с>11|, ¿ = 1*т,, (7)

где щ=т*па\ щ = [бт/Д?] - число отсчетов на квант сигнала. Каждый член в (7) представляет собой вектор-столбец

0 75 —М

у 0 50 □II

1 0.25 Ж1

т V Т

О 05 1.0 1.5 2.0 2.5 3 0 *, мкс Рис.3. ФР реальной помехи от моря.

где 7УП =Т/Тп - число периодов повторения сигнала за время Т; Т„- дискрет времени для реализации с,, равный периоду повторения сигнала. Задержанный на время Ш сложный комплексный модулирующий сигнал ¿0, (?) = ¿0 (< - Ш) может быть представлен в виде

¿о (' - ш)=а0( = ¡¿01, ¿0,2... ¿ода11, (9)

где = Г1(/Дг; Т, - длительность сложного сигнала. Функцию нестационарностипреобразуем в виде матрицы-строки

(Ю)

Модель сигналоподобной помехи (3), исходя из (8) - (10), может быть переписана матричной размером хЛГ,] (цифровой) форме

И = ^ «, = ^ = ^ ^/¡¿/1 ¿,7 ■ ■ ■ <4 |Т 1*0,1 ¿0,2--Л,«.!!- О 1)

I 1-1 ,-0

каждый вектор-столбец, которой является выборкой комплексных отсчетов помехи опре-

5(4 т), дБ

'' Воляенй'З балла; \ =0,9м; ' 50 ГщХ® 8 м;

Задержка т, мкс

'0 «В -^Доплер. частота, Гц Рис. 5. ФР моделированной помехи.

деленного дискрета (разрешаемого элемента) по дальности. Некоторые результаты моделирования сигналоподобной помехи по алгоритму (11) при волнении 3 балла и нормальной рефракции представлены на рис. 5 и 6. На рис. 5 показана ФР моделированной помехи для сигнала, имеющего параметры, аналогичные параметрам РЛС «Лоция-М». Сплошная сигналоподоб-ная помеха для сложного сигнала показана на помехи рис. 6. В качестве сложных сигналов выбран

ДБ

-90 -95 -100 -105 -110 -115

Сигнал ФМ Баркер-13; То=1 мкс, А,= б0м; Волнение 3 балла;

Уровень шума

Я, км

8 10 12 14 16 18 20

-50 -60 -70 -Ш -90 -100 -110

ЛтшСК), дБ

Сигнал ФМ Баркер-13; т0=1 мкс, А,= 15 м, Волнение 3 балла,

Д, км

10 12 14

61

Рис. 6. Распределение мощности сигналоподобной помехи по дальности а) высокое расположение антенны (А, = 60 м); б) низкое расположение антенны (А, = 15 м), параметры моделированной РЛС подобны параметрам РЛС «Альфа» при Р, = 1 КВт.

код Баркер-13 с для зондирующего параметрами, подобными сигнала РЛС «Альфа». Выбраны параметры ДНА Ф„= 1,1° и Фг= 1,15° и угол визирования 9о = 0. Усреднение произведено по 256 реализациям Из рисунка видно влияние высоты расположения антенны на распределение мощности сигналоподобной помехи на входе приемника с учетом коммутации на прием (приемник открыт в момент t = 13то или по дальности Rq~ 2 км). Максимальная дальность помехи для случая высокой антенны (йа = 60 м; рис. 6а) достигает R„ пи» ~ 14 км, что гораздо больше, чем для случая низкой антенны (й„ = 15 м; рис. 66): R„ max = 8 км. На близких дальностях (R < 4 км) интенсивность помех для случая высокой антенны значительно меньше, чем для случая низкой антенны и это объясняется влиянием узкой шириной ДНА в вертикальной плоскости.

Сравнительная оценка спектров сигналоподобной и реальной помех для различных элементов дальности подтверждает правдоподобность модели. Различие состоится в появлении паразитных выбросов спектра реальной помехи, обусловленных прибором обработки сигналов Оценка закона распределения амплитуд сигналоподобной помехи (по критерию Колмогорова при уровне значимости а = 0,05) показала, что помеха носит рэ-леевский характер.

Цифровая модель эхо-сигналов от целей.

В общем случае модель эхо-сигнала от цели, находящейся на расстояние R от РЛС и движущейся с относительной радиальной скоростью v и радиальным ускорением а Ф 0, может быть представлена в виде

*,С0 = >Мо(' - х)схр{/2л1(/о-ф,Х'-*',(> - т)2/2|, (12)

где фг « 2vf0/c = /д - доплеровский сдвиг частоты; ф'г «laf /с - скорость изменения доп-леровского сдвига частоты; А, = - случайная комплексная величина; у - случайная фаза; т = 2R/c - случайная задержка сигнала от цели. Для большинства морских целей можно пренебречь вторичным эффектом Доплера. Используя (12), низкочастотная модель эхо-сигнала от точечной цели может быть переписана в виде

*,(') = Л*о('-*)ехр[/2Л/д(*-т)], (13)

а модель сложной цели с л-ми блестящимися точками, расположенными по дальности, приближенно может иметь вид

*,(')= ¿^¿„('-т,)ехр[/2я/д(г-т()], (И)

м

где Ап, т, - случайная амплитуда и задержка /-ой блестящей точки соответственно.

Цель характеризуется средним значением эффективной площади рассеяния (ЭПР) оц и ПРВ флуктуаций ЭПР или амплитуд эхо-сигналов W(Ar). Известна обобшеннная

модель Сверлинга, рассматривающая ПРВ ЭПР в виде распределения х2 с 2к степенями свободы (к = 1, 2, ...). Первая модель Сверлинга (к = 1) соответствует цели с медленными флуктуациями амплитуды и рэлеевской ПНР (элементарные отражатели цели равновероятны), вторая модель (к - 2) соответствует цели с быстрыми флуктуациями амплитуды и рэлеевской ПВР (равновероятные элементарные отражатели плюс доминирующий) Существуют и другие нерэлеевские модели ПРВ флуктуаций: логнормальные, вейбулловские, четырехлучевую модели, учитывающие многопутное распространение от подстилающей поверхности.

Процесс имитации цели заключается в решении 2-х задачах: 1) генерации случайного процесса стц(/) при заданном значении стц и законе распределения w(au); 2) определении текущего положения цели (значение R{t)), относительно РЛС при заданном законе движения цели. При построении модели сигнала от цели для иллюстрации рассмотрен пример маневрирующей надводной цели и приведены некоторые экспериментальные дан-

ные о зависимости отражающих свойств цели (ЭПР) при разной ориентации относительно PJIC Однако для решения поставленной задачи на данном этапе не требуется формировать сложную целевую обстановку, поэтому для простоты можно предполагать, что значение оц не зависит от ориентации (значит и от времени).

Для каждого элемента дальности средняя мощность сигнала на входе приемника связана с стц уравнением радиолокации с учетом постилающей поверхности

Р, = CoyMt-«V4(R)/R4, (15)

где С = PHG02X2G3(e,p)i,II/(47c)3 - энергетический параметр PJIC; 5П дБ/Км - коэффициент поглощения в тропосфере; V(R) - функция ослабления; Л,е, (3 - сферические координаты цели относительно антенны PJIC; остальные параметры идентичны тем, что и в И (4). Коэффициент 8„ для сантиметрового диапазона волн нужно выбрать не менее 0,1

дБ/км. Расчет является сложным, поскольку он зависит от многих факторов и имеет осциллирующий характер в освещенной зоне, где предполагается движущаяся цель. Для зоны освещенности значение У(л) может колебаться в пределах 0,3 -s-1,7.

По аналогии с моделью помехи, модель (13) и (14) представляются в цифровом виде

(16)

м

где А„ = J,b,; b, =|ft,, ... 6WJ - вектор-столбец (матрицы b=jb, ... b„|) флуюгуаций амплитуд /-ой блестящей точки с дискретом Ти; J = ... || - вектор-строка коэффициентов стационарности по дальности, рассчитанных по формуле (16): J, s-^pJr^); R, -дистанция до i-ой блестящей точки; s0, - подобный вектор в (9); у, =||>>(1 ... уш || - вектор-строка составляющей доплеровского сдвига /-ой блестящей точки уI = ехр[/2я/д (/ - т,)]; Nt = TjAl - число отсчетов на длительность сигнала Тг; А/ - интервал дискретизации, равной дискретности для помехи; символ «в » - оператор поэлементного умножения. Цифровая форма модели (13) получена при значении /7 = 1, поскольку она является частным случаем модели (14).

Процесс b в общем случае может быть негауссовским, а время корреляции изменяется в широких пределах от 10 до 500 мс. При формировании процесса Ь обычно используется один из известных в литературе методов цифрового моделирования случайного процесса с заданными одномерной ПРВ и КФ (например, метод преобразования белого гауссова шума в узкополосный случайный процесс).

Таким образом, получена цифровая модель эхо-сигнала от цели для сложномодули-рованного сигнала произвольной формы (16), которая служит составной частью РК.

В главе 3 рассматривается построение и реализация цифровой модели РК. Модель дает возможность выполнить оценку основных качественных характеристик (характери-" стики обнаружения) квазинепрерывных РЛС со сложными сигналами. На рис. 7 показана

структурная схема модели РК [4]: формирователь сигнала и помехи от морской поверхно-t emu (I) и типовой приемный тракт PJIC (П). Входящие в состав формирователя (I) блоки

[блоки 1 + 4 ] реализуют алгоритмы цифровых моделей сигналов от цели и сигналоподоб-ной помехи, изложенных в главе 2. Выходным сигналом формирователя является аддитивная смесь сигнала и пассивной помехи, представленные в виде комплексных отсчетов. Напряжения на входе схемы обработки обозначим через s{t), u(t\ n(t) - полезный сигнал, помеху и собственный шум соответственно; x[t\ z(t) - сигналы на входе и выходе схемы обработки соответственно.

Комплексная огибающая совокупной смеси сигнала, помехи и шума (С+П+Ш) на

входе блока 9 (рис. 7) может бьггь описана выражением

X(t)=S(t)+U(t)+N(t), (17)

где S{t), U(t) и N(t) - комплексная огибающая сигнала, помехи и шума приемника соответственно, а на его выходе будет X,(t) = X(t)uv(t), где u^it) - функция коммутации приемника. Дальше производится обработка принимаемого сигнала в устройстве обработки сигналов, в состав которого входят блоки 9 - 15. Оптимальной процедурой обнаружения на фоне белого шума при фиксированном времени наблюдения Тн будет вычисление корреляционного интеграла и сравнение его модуля (или квадрата) с порогом. Алгоритм обработки реализуют в виде коррелятора или согласованного фильтра (СФ). Качественными показателями обработки являются характеристики обнаружения цели с заданной ЭПР. Характеристики обнаружения цели представляют собой зависимость вероятности правильного обнаружения от дальности до цели, определятся с учетом постоянства ложной тревоги во всех ячейка дальности на основе критерия Неймана-Пирсона.

Фильтр подавления помех за счет амплитудной селекции (блок 10) представляет собой нелинейный преобразователь (ограничители различных видов), характеристика которого выбрана оптимально для подавления негауссовых помех. Одной из практических схем оптимальной обработки при выделении сигнала на фоне небелого шума (пассивной помехи с неравномерным спектром) является схема обнаружителя на основе обеляющего (выделяющего) фильтра или режекторного фильтра, функцию которых выполняет фильтр подавления помех за счет частотной селекции (блок 11). В блоке 12 осуществляется операция фильтрации сигналов (сжатия по времени или частоте). Дальше возможно когерентное или некогерентное накопление сигналов в зависимости от типа обработки сигналов. Решение о наличии или отсутствии сигнала выдается пороговым устройством (блок 15).

На практике осуществляется квазиоптимальная многоканальная фильтрационная и/или корреляционная обработка. Поскольку все каналы идентичны по структуре, достаточно описать одноканальную фильтрационную обработку. Пусть на вход СФ v-ro частотного канала (доплеровский сдвиг СФ: Fv = vAF; AF = 1/Г. - шаг по частоте; v = 0,±l,±2,...) попадает полезный сигнала с задержкой ти =от0 (и =1,2,...) и допле-ровской частотой Fn = TiAF ;(r| = 0,±l,±2,...). Используя метод комплексной огибающей выражения для комплексной огибающей ИХ СФ и сигнала на выходе его (СФ) имеют вид

Модель формирователя сигнала и помехи от шорской поверхности (I)

Блок формировании HMRynwaw характеристик фильтров и смиалое

7

Генератор шума приема«»

Sf/hot,) iifcLi

т

12 Фильтр сжатия сагимгтое сигнала (■ iy 1 риимпупьеной модуляции по времени иАми по спектру) - 11 Фильтр подавления помах яш «ат частотной селекции - Ю Фильтр подавления помах за счет амплитудной селем*» J 9 Стровироеание приемника и блок временной селекции помех

2(<)

13 Когерентный Вычислитель модуля и иекогерентный Пороговое устройство автоматический

импульсов от цели накопитель импульсов от цели ц 15 обнаружитель установка порога

Модель типового приемного тракта РЛС (II)

7? Интерфейс отображения

целевой и помеховои _обстановки

Рис.7. Модель РК для оценки качества обработки пар сложных квазинепрерывных сигналов и сопряженных фильтров.

где ¿с - постоянная, учитывающая усиление фильтра; ¡0 - задержка СФ. Операция свертки в СФ комплексного сигнала представляется в виде

¿.(0= р(т)О,(г-0*.

(18)

Основное достоинство модели (18) заключается в возможном осуществлении цифрового моделирования обработки радиолокационных сигналов на низкой частоте, т.е. имеется возможность обойти трудности моделирования ВЧ колебаний.

На рис 8 показан пример моделирования прохождения сигнала [фазоманипулнро-ванный (ФМ) сигнал по закону кода Баркер 13 символов (Баркер-13)] вместе с шумами и сигналоподобной помехой через приемный тракт при согласованной и рассогласованной обработке [4, 2]. В качестве рассогласованной обработки использован рассогласованный фильтр 67 позиций (РФ-67), синтезйрованный для подавления БЛ сигнала Баркер-13. На входе СФ/РФ-67 подают смесь С+П+Ш, огибающая которой показана на рис. 8а. Рэлеев-ская точечная и неподвижная цель с ста = 200м' находится на дальности И = 4км; помеха имеет ФР для волнения в 3 балла (см. гл.2). Параметры сигнала и РЛС подобны тем, которые используются в когерентной РЛС «Альфа», разработанной в СПбГЭТУ.

20*1оё(.Л0, дБ

-40

-60

-80

-100

Пасоеная помюя Цель.

/ эпр-гоом2 - ^-гомс -4км

- ц

Ар

Средний уровень шума

Шум

приемника

20*\о%(£), дБ

Я. км

10

-100

-20

-40

-60

-ВО

100

20*1ОЕ(2),ДБ

-120

И. км

120

Гфиемиика

ПМ \

«юмньищма | 'к V

■-^--Ий

0 5 10

а) 6) в)

Рис. 8 Огибающая смеси С+П+Ш на: а) входе СФ/РФ; б) выходе СФ; в) выходе РФ-67.

Отклики СФ и РФ на входную смесь показаны соответственно на рис.8б и 8в. При обработке в СФ и сильном сигнале (д^ ~ ЗОдБ ) видно вредное влияние БЛ сигнала от цели на выходе СФ, где подавление БЛ составляло -22 дБ. На рис. 8в показано, что при обработке принимаемых сигналов в РФ-67 (подавление -60 дБ) уровень БЛ сигнала цели (некоррелированных помех) намного ниже уровня пассивной помехи от моря и не оказывает вредное влияния на обнаружение цели.

Таким образом, с помощью построенной цифровой модели РК можно решать задачу выбора наилучшего алгоритма (пар «сигнал-фильтр») для сложных когерентных сигналов произвольной формы с учетом квазинепрерывного режима работы РЛС.

Статистическое моделирование характеристик обнаружения цели для квазинепрерывной РЛС со сложномодулированными сигналами. Оценить качество обнаружителя сложных когерентных сигналов можно с помощью характеристик обнаружения (ХО) целей. Выбранный метод статистического моделирования ХО обусловлен его преимуществом в эффективном использовании ресурсов современных ПЭВМ при моделировании сложных систем, когда метод аналитического расчета оказывается крайне сложным и не позволяет получить точные оценки ХО для сложных сигналов с большой базой. Метод экспериментальных измерений, являясь самым достоверным, зачастую требует больших материальных и временных ресурсов и ие охватывает достаточного множества вариантов

изменения помеховой и целевой обстановки.

На основе теории обнаружения сигналов и анализа статистических характеристик сигнала на выходе линейной части приемника (рис .7) предложена методика построения характеристики обна-

СФ/РФ

щ

X

ПУ

<

Рис. 9. Схема моделирования обработки сигналов при СУЛТ.

1 - СФ/РФ; 2, 7- Вычисление модуля сигнала; 3 - Перемножитель; 4 - Пороговое устройство (ПУ) с фиксированной установкой порога; 5 - Запоминающее устройство (ЗУ); 6 - Накопитель (когерентный/некогерентный), К- переключатель.

ружения целы методом

статистического модели- _

рования, при которой ,-У

осуществлена стабилизация уровня ложной " "1 ''' ' Г ЗУ тревоги (СУЛТ) (рис .9). Методика строится в предположении, что пассивная помеха носит га-уссовский характер и известна ее статистика (или корреляционная

матрица) на выходе линейной части приемника. Содержание методики заключается в следующем.

а) С помощью алгоритмов (11) и (16) формируются равные по объему выборки реализаций сигнала от цели, сигналоподобной помехи, и шума приемника. Формируется смесь Л" (17) на входе схемы обработки сигналов (рис .9).

б) В соответствии с вышеописанными построенной моделью РК производить моделирование процесса обработки входной смеси X с учетом квазинепрерывного режима работы РЛС на одну антенну. Вычисляется корреляционный интеграл Щ или [¿„„I (рис.9).

в) Производят операцию СУЛТ путем вычисления нормированного выходного отклика 2п (и™ 2И = | * ) для каждого периода сигнала.

Сущность СУЛТ путем устранения нестационарности по задержкам заключаемся в вычислении функции 2<Яр(т) = 1/а1(х) за время меньшее, чем длительность накопления множества периодов сигнала и записи ее отсчетов в запоминающее устройство (ЗУ) ПЭВМ. Среднее квадратичное отклонение о2(т) смеси помехи и шума (П+Ш) на выходе СФ/РФ определяется соотношением

а.М-ЙМГ-^^мГ. 09)

I ч

Выражение (19) означает операцию усреднения &уср реализаций квадрата выходного эффекта 2пш(т) одного из выходов СФ/РФ (рис.18) при подаче на его входе смеси (П+Ш); 2,(т) - огибающая /-ой реализации на выходе СФ/РФ; время усреднения Тт должно быть намного больше времени корреляции помехи: Т = £ *Т, » т„.

г) По заданной вероятности ложной тревоги Р автоматически устанавливается значение нормированного порога Кон по рассчитываемому алгоритму.

е) Выполняется операция сравнения выходного эффекта с порогом Уон методом статистических испытаний и выдается решение о наличии (у,) или отсутствии цели (у0) для каждого разрешаемого элемента дальности и скорости.

ж) По наборам полученных результатов вероятности правильного обнаружения {й(/?)} производится операция усреднения (по выборкам или ансамблям) характеристики.

д) Оценивают погрешности моделирования и дают сравнительную оценку полученных

результатов (ХО).

Важным элементом данной методики является выбор числа испытаний N (шаг е), определяющегося заданными достоверностью а и погрешностью е оценки вероятности обнаружения £).

Из-за совокупной погрешности при моделировании всегда наблюдается отклонение порога от теоретического значения Уон =т/2]п(1/^). Поэтому для расчета наиболее точных значений порога разработана программа автоматической установки порога (ПАУП). В табл.2 приведены некоторые значения порога, рассчитанные с помощью ПАУП, для случая N = 140 (а = 0,95 и е = 0,05) при разных значениях ЛТ. Видно, что относительное отклонение оценки порога от теоретических значений порогов Кон не превышает 2% для СФ и 5% для РФ-67.

Некоторые результаты моделирования характеристик обнаружения На основании методики, представленной в предыдущих разделах, произведено моделирование ХО для точечных морских целей с разными значениями ЭПР. В качестве зондирующего сигнала выбран сигнал с ФМ по закону кода Баркер-13, а оценка качества обработки (пар «сигнал-фильтр») ведется на примере СФ и РФ-67. С целью упрощения задачи выбраны неподвижные цели с рэлеевской флуктуацией амплитуд отраженного сигнала и гауссовская модель помехи от моря; антенна РЛС не вращается (т.е. она «смотрит» в одно направление) и не учитывается влияние БЛ ДНА. Выбранные исходные данные при моделировании следующие:

• Параметры РЛС: излучаемый ФМ сигнал кодом Баркер-13 с квантом т0 =1мкс; скважность д = 200/13; период повторения сигнала Т„ = 200 мкс; X = 3,2 см; импульсная мощность Р, = 1000 Вт; Ртп = -110 дБ/Вт; ДНА в вертикальной и горизонтальной плоскостях: Фв = 1,0° и Фг = 1,0°; угол визирования Ео = 0°; высота антенны

= 15 м.

• Параметры цели: точечная, неподвижная, рэлеевская флуктуация амплитуд с временем корреляции тш=10 + 30мс; средняя ЭПР стц =1,10,100 и 500м2; высота цели (или кажущегося центра рассеяния (КЦР)) над поверхностью моря й„ = 10 м; интервал дальности Я^ =150м и Я^ =30км.

• Параметры сигналоподобной помехи: волнение 3 балла; функция рассеяния моря: гауссовой энергетический спектр отражения от моря с шириной = 37 Гц (время корреляции тк„= 13,5 мс), общий доплеровский сдвиг спектра /т = +50 Гц

• Условия распространения радиоволн • рефракция нормальная.

Моделирование реализовано в среде МаЙаЬб 5 при интервале дискретизации Дг =

0,25 мкс (4 отсчета/квант). С целью расчета функции Z<)6|¡(x) для СУЛТ было сформирована выборка из к^.р =1000 периодов сплошной сигналоподобной помехи с исходными параметрами и произведена операция усреднения помехи (19). Выбрано число испытаний N = 140 для случая £> = 0,9 при заданных значениях а = 0,95 и е = 0,05.

На рис. 10 показана ХО целей с различными ЭПР (о = 1, 10, 100, 500 и2) при согласованной и рассогласованной обработке. Наблюдается провал в обнаружении в ближней зоне дистанции АЯ = (0 -=- 6 )км, который уменьшается по мере увеличения значения

Таблица 2. Оценочное значение порога

ЛГ=140 5он _ СФ РФ-67

Р /21п(1/Р) ^онсф Д7сф,% у 'он РФ Л,Урф, %

10'4 3,72 3,70 0,53 3,68 1,06

104 4,29 4,25 0,93 4,09 4,66

кг» 4,80 4,71 1,87 4,66 2,92

Волнение 3 балла 20 мс 4

"0 В;, 5 10 15 20 25 Рис. 10 ХО целей с различными ЭПР. Усреднение по 20 реализациям.

0 Я, 5 я2 10 15 20

Рис. 11. Сравнение ХО цели при обработке в СФ и РФ-67 Усреднение по 20 реализациям

п 20"кх£и).дБ

40 201од(ги).дБ

Помеха 1 -¡-/-- Цель

5 "„г Ю 15 " пп1".Ь«п2 Ю о 0 10

а) 6) в)

Рис.12 Огибающая смеси С+П+Ш на а) входе СФ/РФ, на выходах б) СФ и в) РФ. Помеха разрывная протяженностью ДД„1 =2 + 4 км и йЯ^ = 6 + 8 км. Параметры цели: стпср = 10 м2 и дальность Л] = 3 км.

□ТО

ЭПР цели. Провал в обнаружении в ближней зоне дистанции при малых ЭПР цели (оцср = 1 и 10 м2) объясняется двумя факторами: потерями энергии эхо-сигнала от цели при приеме за счет коммутации приемо-передатчика (Ли =13*5/?«2 км) и увеличения удельной ЭПР морской поверхности при больших углах скольжения в ближней зоне. Кроме того, на вероятность правильного обнаружения в ближней зоне дистанций оказывают влияние также уровень боковых лепестков ВФН сигнала при его усечении (за счет коммутации) и форма ДНА в вертикальной плоскости.

Сравнительная оценка ХО целей с малыми значениями ЭПР (стцср = 1 и 10 м2) при обработке в СФ и РФ иллюстрируется на рис. 11. Преимущество РФ над СФ существенно в зоне дальности ДЛ = Я, = 2,6 + 7 км для обоих случаев ЭПР целей, которое уменьшается по мере увеличения ЭПР цели. В более дальней зоне дальности, где уровень помехи меньше шума (Л > Х2), качество обнаружения примерно одинаково для СФ и РФ.

Сравнительная оценка ХО целей при обработке в СФ и РФ дает следующие положения: 1) для целей с относительно большими ЭПР (сиор = 100 и 500 м2) вероятность обнаружения не много отличаются на всей зоне дальности; на больших дальностях (Л > 16 км),

_____ ___В.км

"0 5 10 15 20

Рис.13. Оценка ХО цели на фоне разрывной пассивной помехи для СФ и РФ.

где нет помехи наблюдается небольшое преимущество за рассогласованной обработкой; 2) для целей с малыми значениями ЭПР (<тцср =1 и 10 м2) имеется существенное преимущество за рассогласованной обработкой в близкой зоне дальности (R< Ri~l км), где уровень помехи больше уровня шума приемника.

На рис. 13 показана сравнительная оценка ХО малозаметной цели (оцч, = 10 м2) на фоне разрывной помехи, представленной на рис. 12а - в, при согласованной и рассогласованной обработке сигналов. Видно, что цель не обнаружена в зоне первой помехи (D < 0,1 при R = âJi„\) и маловероятна в зоне второй помехи (D < 0,5 при R = ДЛй)- В ближней зоне, где нет помехи, очевидно преимущество РФ над СФ. В дальней зоне (R > 10 км) качество обработки примерно одинаковы для обоих фильтров.

Таким образом, полученные результаты статистического моделирования позволяют дать основание для выбора оптимального варианта алгоритма обработки сигнала (пар «сигнал-фильтр») при оценке их качеств работы. В данном случае можно сделать вывод, что РФ обладает преимуществом над СФ, выражающимся в лучшем качестве обнаружения малозаметных целей на фоне гауссовской пассивной помехи от моря.

Надо отметить, что предложенная методика может быть использована в случае не-гауссовской пассивной помехи путем к входной смеси С+П+Ш подвергать дополнительное нелинейное преобразование (блок 10- рис. 7).

В главе 4 предложен вариант разработки имитатора микроволнового диапазона с использованием цифровой линии задержки (ЦЛЗ) [1, 2, 5]. Таким имитатором могут быть реализованы разработанные алгоритмы формирования эхо-сигналов от цели (16) и сигна-

лоподобной помехи от подстилающей по__t верхности (11).

Особенностью генерации помехи является то, что ее значения в каждый момент времени на каждой дальности вычисляют не в процессе работы, а заранее. После генерации помехи, ее отсчеты хранятся в памяти ПЭВМ в виде двумерного массива. Одной координатой этого массива является дальность, другой - номер периода зондирующего сигнала. В процессе работы на каждом периоде зондирования отсчеты помехи по всей иссле-Рис.14 Отклики сигнала Баркер-13 при за- дуемой дальности из памяти ПЭВМ задержках на „ = 15,6 мкс и т2 = 65 мкс. гружаются в память радарного процессора. На выходе имитатора будут получены СВЧ имитированные эхо-сигналы от целей и пассивные помехи по заданным алгоритмам. Отмечено, что разработанный имитатор позволит с достаточно высокой достоверностью оценивать такие важные характеристики PJIC, как качество сжатия сигналов, помехоустойчивость и помехозащищенность, чувствительность приемника, энергопотенциала PJIC, разрешающая способность и точность определения координат цели, эффективность алгоритмов обработки сигналов, а также другие параметры, оказывающие влияния на качество работы радиолокатора.

С помощью прототипа имитатора эхосигналов, разработанного НИИ «Прогноз» СПбГЭТУ, производилась проверка качества сжатия сложного сигнала PJIC «Альфа». Результаты измерений показаны на рис. 14 [1]. Параметры сигнала следующие: периодически повторяемый амплитудно-фазовой манипуляции (АФМ) сигнал кодом Баркер 13 символов, длительность кванта 1 мкс, период повторения 200 мкс. По оси ординат выражается амплитуда сигнала, по оси абсцисс - задержка в квантах (1 квант = 62,5 не). Произведено некогерентное накопление сигвала 16 периодов. На рисунке показаны два выходных

сигнала алгоритма сжатия АФМ сложного сигнала при различных задержках Т| = 15,6 мкс и Т2 = 65 мкс (соответственно дальность до цели 2340 м и 19500 м) с произвольными амплитудами Уровень БЛ с точностью не хуже 2% дБ совпадает с теоретическим В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Рассмотрены известные математические модели и имитаторы радиолокационных эхо-сигналов от целей и морской поверхности. Отмечены основные недостатки моделей помех и различных типов имитаторов, главным из которых является невозможность имитации сложномодулированных сигналов от многоточечных целей и подстилающей поверхности.

2. Предложен и обоснован метод моделирования сигналоподобной помехи для произвольного закона модуляции сложного когерентного сигнала, позволяющий формировать помеху с заданными статистическими характеристиками

3. Разработана цифровая модель эхо-сигналов от цели с заданными характеристиками для произвольного закона модуляции сложного когерентного сигнала.

4. Разработана и исследована цифровая модель радиолокационного канала, учитывающая характеристики смеси сигнала с шумом и помехой, а также алгоритмы ее обработки.

5. Разработана методика статистического моделирования обнаружителя сложных когерентных сигналов, отраженных от флуктуирующих целей, на фоне отражений от морской поверхности со стабилизацией уровня ложной тревоги. На основе этой методики проведено исследование разработанной цифровой модели РК с указанными сигналами.

6. Предложена удобная для реализации схема формирования сигналоподобной помехи в имитаторе радиолокационных сигналов СВЧ диапазона.

Общий вывод: Полученные в диссертационной работе результаты исследования позволяют проанализировать и оценить характеристики обнаружения целей и помехоустойчивость морских РЛС со сложными квазинепрерывными зондирующими сигналами при низко расположенной антенне.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Калениченко С. П., Коновалов А. А., Михайлов В. Н., Нгуен Хыу Тхань. Имитатор радиолокационных сигналов микроволнового диапазона. - Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», сер. «Радиотехника», 2004, вып. 1, с. 28 - 33. 2 Калениченко С П., Михайлов В. Н., Нгуен Хыу Тхань. Способ и устройство формирования аддитивной смеси радиолокационного сигнала от подвижной цели и сигналоподобной помехи для оценки характеристик РЛС со сложным сигналом произвольной формы II НТК «Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий»: тез. докл. / НИИ «Прогноз» СПб ТЭТУ «ЛЭТИ». СПб, 2004, с. 32 - 34.

3. Калениченко С. П., Михайлов В. Н., Нгуен Хыу Тхань. Моделирование отражений от морской поверхности в сантиметровом диапазоне электромагнитных волн. - Изв. вузов России, сер. «Радиоэлектроника», 2004, вып. 3, с. 19-27.

4. Калениченко С П., Нгуен Хыу Тхань, Нгуен Тхань Хынг. Цифровая модель радиолокационного канала для оценки характеристик сложных когерентных сигналов и сопряженных фильтров. // Всерос. науч.-техн. конф. «Информационно-телекоммуникационные технологии»: тез. докл. / М.: Изд. МЭИ, 2004. - 204 с.

5. Нгуен Хыу Тхань. Измерение параметров РЛС со сложными сигналами с использованием СВЧ имитаторов радиолокационных сигналов// НТК «Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий»: тез. докл. / НИИ «Прогноз» СПб ТЭТУ «ЛЭТИ». СПб, 2002. - С .55 - 56.

Подписано в печать 06.07.05. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 65.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

»15862

РНБ Русский фонд

2006-4 14359

i

Перечень сокращений и условных обозначений.

V.' Введение.

1. Модели и методы радиолокационных сигналов, отраженных от целей и 17 морской поверхности.

1.1. Математические модели сигналов, отраженных от морских целей

1.1.1. Типы радиолокационных целей.

1.1.2. Модели эхо-сигнала от морских целей.

1.2. Модели эхо-сигналов, отраженных от морской поверхности.

1.3. Имитаторы радиолокационных сигналов.

1.3.1. Имитатор эхо-сигналов от морских целей.

1.3.2. Имитатор эхо-сигналов от морской поверхности.

2. Имитация пассивных помех и эхо-сигналов от целей с использованием сложных зондирующих сигналов.

2.1. Выбор метода имитации целей и пассивных помех. v 2.2. Модель сигналоподобной помехи.

2.2.1. Построение модели.

2.2.2. Характеристики сигналов, отраженных от морской поверхности.

2.2.3. Иллюстрация формирования сигналоподобной помехи от морской поверхности при использовании сложного сигнала.

2.2.4. Моделирование сигналоподобных пассивных помех.

2.3. Цифровая модель радиолокационных эхо-сигналов от целей.'

2.3.1. Построение модели.

2.3.2. Моделирование эхо-сигналов от цели. р 3. Исследование показателей качества систем обработки сложных у радиолокационных сигналов с использованием разработанных цифровых моделей сигналов и помех.

3.1. Обобщенная модель радиолокационного канала.

3.2. Оценка характеристик PJIC со сложным сигналом с помощью цифровых моделей сигналов и сигналоподобной помехи.

3.2.1. Цифровая модель радиолокационного канала для оценки характеристик обнаружения PJIC.

3.2.2. Моделирование обработки сигналов с использованием модели цели и сигналоподобной помехи.

3.3. Статистическое моделирование характеристик обнаружения цели для квазинепрерывной PJIC со сложномодулированными сигналами.

3.3.1. Пороговая обработка сжатых и накопленных сигналов и стабилизация уровня ложных тревог.

3.3.2. Моделирование характеристик обнаружения цели на фоне помех от морской поверхности при низком расположении антенны PJ1C над поверхностью.

3.3.3. Некоторые результаты моделирования характеристик обнаружения.

4. Построение имитаторов радиолокационного канала микроволнового диапазона с использованием цифровой линии задержки.

4.1. Разработка схемы имитатора эхо-сигналов с использованием циф- 138 ровой линии задержки.

4.2. Методики использования имитаторов в лабораторных и натурных условиях.

4.3. Ожидаемые результаты исследования на имитаторах.

Актуальной проблемой современной радиолокации является повышение помехозащищенности PJTC, которая подразумевает обеспечение подавления естественных и искусственных помех, низкую вероятность перехвата излучения, электромагнитную совместимость в коллективе PJTC, высокие точности измерения параметров целей [29]. Процесс проектирования помехозащищенных радиолокационных станций (PJTC) включает в себя процедуры анализа и синтеза оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов формирования и пространственно-временной обработки сигналов. Особенностью помехозащищенных станций различного назначения является использование сложномодулированных когерентных зондирующих сигналов с большой базой. Для одноантенных PJTC, например, судовых и корабельных, особенно большой интерес вызывает использование сигналов с высоким разрешением по дальности и большой длительностью когерентного накопления и базой до 106. Такие сигналы позволяют существенно снизить пиковую мощность передатчика и обеспечить точное измерение дальности и скорости цели. Одним из существенных конструктивных особенностей морских PJTC со сложным сигналом большой длительности является использование одной антенны и квазинепрерывный режима работы [20]. При большой дальности обнаружения воздушных и надводных целей с зондирующим сигналом, превышающим по длительности максимальную задержку на инструментальной шкале дальности (речь идет о дальностях более 2 км) и использовании одной антенны на передачу и прием для достижения потенциальной чувствительности необходимо попеременное подключение антенны к выходу передатчика и на вход приемника. Исследованы регулярный и нерегулярный (псевдослучайный) законы коммутации приемо-передающего тракта и влияние искажений сигналов коммутации на форму функции неопределенности зондирующего сигнала [19, 20].

Было показано [20], что квазинепрерывный режим работы, который применяют в одноантенных PJTC со сложным сигналом большой длительности, отрицательно влияет на качество обнаружения в помехах (типа отражений от морской и земной поверхности), вследствие искажений функций неопределенности (ФН) сигнала и, естественно, отклика согласованного с сигналом фильтра при коммутации приемо-передатчика. Поставленная задача синтеза сигнала с учетом этого режима для устранения искажений не нашла пока окончательного общего решения. В ряде частных случаев удается найти сигнал с малыми искажениями при обработке или уменьшить их. В настоящее время интенсивно ведутся работы в области разработки новых методов синтеза зондирующего сигнала, которые ставят своей целью подавление боковых лепестков ФН в рабочей области задержек и доплеровских частот с учетом коммутирующих приемопередатчик сигналов.

Разработка новых методов анализа и синтеза PJIC со сложными квазинепрерывными сигналами и помехоустойчивыми алгоритмами обработки включают аналитический подход (синтез структуры алгоритмов формирования и обработки сигналов), моделирование процессов формирования сигналов и помех, распространения на трассе РЛС- цель, пространственно-временной обработки и, наконец, проведение испытаний прототипов по реальным целям в полигонных условиях.

Следует отметить и другой аспект теории и практики разработки РЛС со сложным сигналом. Так как теоретический анализ методов повышения помехозащищенности РЛС различного назначения со сложными квазинепрерывными сигналами большой длительности и базы чрезвычайно сложен и не дает точных результатов, большую роль для получения положительных результатов проектирования РЛС играют практические измерения тактико-технических характеристик (ТТХ), рассматриваемых в этой работе когерентных РЛС. Разработанные методы синтеза сигналов и алгоритмов [13, 15 - 17, 19, 32, 44, 66] обычно не учитывают их технической реализации. К примеру, найдены модулирующие последовательности с низким и нулевым уровнем боковых лепестков (УБЛ), однако при их использовании в реальной радиолокационной аппаратуре (особенно микроволнового диапазона) технический уровень остатков на выходе схем обработки намного выше, чем теоретический [32]. Поэтому важную роль при проектировании PJIC могут иметь методы моделирования процессов преобразования сигналов и оценки качественных показателей PJIC на моделях полезных сигналов, помех и алгоритмов их обработки [10].

Полученные данные на моделях радиолокационного канала используют для корректировки и выбора наилучших сигналов и алгоритмов пространственно-временной обработки. При этом важнейшую роль играют разработка и исследование методов моделирования и преобразования сигналов в радиолокационном канале РЛС, включающем в себя формирователь сложного сигнала, модели цели, помех, приемное устройство, устройство сжатия принимаемых сигналов и устройство принятия решения о наличии цели.

При проектировании и разработке РЛС чрезвычайно важно провести проверки ключевых параметров вновь разрабатываемой РЛС на имитаторах, работающих в реальном времени. Один из основных методов, с помощью которого можно получить достоверную информацию о качественных показателях и характеристиках морских РЛС с простыми и сложными сигналами, является метод натурных испытаний [49]. Как правило, возможности проведения таких испытаний существенно ограничены или вообще невозможны.

Испытания морских РЛС требуют больших затрат времени и средств. Поэтому целесообразно развитие новых высокопроизводительных методов и приборов, позволяющих проверить и измерить ТТХ когерентных РЛС на стадии проектирования и предварительных, ограниченных по масштабам и финансовым затратам заводских испытаниях, до установки их на борт. Большую роль здесь могут играть методы и аппаратура полунатурного моделирования с использованием современных быстродействующих ПЭВМ и специализированных стендов [34]. Применение этих средств позволит с большей уверенностью предполагать, что характеристики РЛС в рабочих условиях будут отвечать поставленным тактико-техническим требованиям. Оценку многих важнейших выходных (конечных) характеристик когерентных РЛС со сложным зондирующим сигналом на этапе их проектирования, изготовления опытных образцов и типовых испытаний, серийных образцов можно производить с помощью имитаторов радиолокационных сигналов различных диапазонов. Такие приборы позволяют имитировать отражения от нескольких неподвижных и движущихся целей на любых рабочих дистанциях и помеховую обстановку [10, 72].

Таким образом, исследовательскую работу по разработке методов имитации в реальном времени сложных когерентных сигналов, отраженных от флуктуирующих целей, и сигналоподобных помех, с различными законами плотности распределения можно считать актуальной.

Цель диссертационной работы состоит в исследовании и разработке имитационных алгоритмов преобразования сложных когерентных квазинепрерывных радиолокационных сигналов с большой базой в радиолокационном канале (РК) для проведения измерений параметров PJ1C в лабораторных и полигонных условиях.

Для реализации поставленной цели автором решаются следующие задачи:

• Анализ статистических параметров помех от взволнованной морской поверхности и имитационных алгоритмов формирования эхо-сигнала от цели и помехи от моря.

• Разработка метода моделирования сигналоподобной помехи от морской поверхности с заданными характеристиками функции рассеяния для сложно-модулированных когерентных сигналов большой длительности.

• Разработка цифровой модели сложного сигнала от цели и помехи и верификация модели.

• Сравнительные исследования прохождения сигналов и помех через РК и тракт обработки сигналов с оценкой качественных показателей PJ1C по основным параметрам (помехоустойчивости при действии отражений от морской поверхности).

• Разработка методик проверки показателей качества систем обработки сложных радиолокационных сигналов с использованием разработанных цифровых моделей сигналов и помех.

• Разработка схемных решений имитатора радиолокационных сигналов микроволнового диапазона и проверка ряда характеристик PJ1C со сложным сигналом.

В данной работе принципиальными условиями и ограничениями задачи будут следующие. Первое, не рассматриваются преобразования сигнала в пространственно-временном континууме и, следовательно, не рассматриваются вопросы имитации поляризационной матрицы рассеяния целей [40] (этот вопрос мог бы послужить темой обширного отдельного исследования). Не рассматривается вопрос преобразования радиосигналов в антенных системах. В ряде моделей учитывается только дополнительная модуляция сигналов при сканировании антенн. И второе, не учитываются мультипликативные преобразования сигнала, связанные с распространением сигналов в пространстве (среда распространения — линейна). Однако невозможно решать вторую задачу без понимания физики процесса отражения от сосредоточенной цели (объекта сложной структуры с конечными геометрическими размерами) или распределенной цели без четко ограниченных границ (облака, морская поверхность).

Задача моделирования сигнала от радиолокационной цели и сигналопо-добной помехи сводится к формированию задержки зондирующего сигнала на время, регулируемое в пределах, соответствующих дальности действия когерентной PJ1C. Решение даже этой задачи представляет значительные трудности, так как требуемая величина задержки может быть в пределах от нескольких наносекунд до нескольких миллисекунд [64].

Для формирования задержанного сигнала PJ1C часто используют обычные генераторы гармонических колебаний. Амплитуду, частоту или фазу когерентного колебания модулируют в соответствии с законом изменения соответствующего параметра зондирующего сигнала. Этот способ позволяет получить практически любую величину задержки и сдвиг по частоте, но не обеспечивает получение сигналов, полностью адекватных сигналам PJIC, особенно в микроволновом диапазоне волн. Поэтому метод не может быть применен для моделирования отражений сложных когерентных сигналов PJ1C. Основной трудностью здесь является сложность учета флуктуаций частоты и фазы моделируемого сигнала и помехи на высокой частоте, для независимых опорных автогенераторов (РЛС и имитатора).

Еще одна трудность возникает при создании модели распределенной сиг-налоподобной помехи на высокой частоте. Существующие в настоящее время модели помех создают путем поквантовой задержки исходного сигнала и соответствующего сдвига частоты для имитации доплеровского рассеяния (задержку осуществляют через время корреляции сигнала). Отметим, что для такой модели ширина спектра помехи практически не отличается от спектра зондирующего сигнала, если доплеровские сдвиги выбраны в соответствии с измеренными по морю. Эта грубая аппроксимация структуры помех приводит к скачкам по частоте и фазе и для ряда алгоритмов обработки возникает иллюзия возможности полной компенсации помехи в алгоритмах, где используют предварительное измерение параметров помехи (амплитуды, частоты, фазы) с последующим воссозданием компенсирующего напряжения с целью когерентной компенсации помехи [23]. Поэтому в работе принята другая концепция моделирования распределенной помехи, в частности помехи от моря. Приближение параметров модели к реальной помехе достигается путем использования формирователя случайного процесса с заданными узкополосным спектром, ПРВ амплитуд и типом нестационарности.

На первом этапе, с целью получения правдоподобных результатов параметры и форму узкополосного спектра отражений от моря устанавливают в соответствии с сечениями функции рассеяния моря на данной дистанции [20], а ПРВ амплитуд — в соответствии с законом распределения амплитуд помехи на этой дистанции. Для сантиметрового диапазона волн в зависимости от волнения полуширина спектра составляет 50 ч- 200 Гц [26, 20]. Формы спектра этого случайного процесса могут быть также разные, наиболее распространенные -гауссовские аппроксимации.

На втором этапе производят оцифровку узкополосного процесса с заданными параметрами с помощью комплексных отсчетов, формируя цифровую модель функции рассеяния помехи для каждого сечения по частоте, следующего через такт, получая матрицу комплексных векторов помехи для каждого сечения. На третьем этапе на основе матрицы цифровой модели формируют матрицу элементов сложного сигнала путем умножения элементов матрицы комплексных векторов помехи на исходный сигнал. Таким образом, для каждого элемента (вектора помехи) получают составляющие сигналоподобной помехи, которые складывают и получают совокупную цифровую модель сигналоподобной помехи.

Подобным же образом формируют и цифровую модель сложной цели со многими блестящими точками, распределенными по дальности, используя данные о дальностно-доплеровском портрете цели.

Техническая реализация модели следующая. В предлагаемом имитаторе осуществляют перенос исходного сигнала PJIC и сигналоподобной помехи на частоту, близкую к нулю, в квадратурах с помощью фазового детектора, изменения амплитуды, частоты и задержки сигнала в соответствии с законами флук-туаций цели и помехи и обратном переносе результата на ту же высокую частоту. Основным условием адекватности преобразований сигнала является достаточная кратковременная стабильность частоты и фазы опорного гетеродина, которая должна быть на порядок лучше стабильности опорного генератора когерентной PJ1C.

Новые научные результаты и их достоверность.

1. Предложен и реализован новый метод построения цифровой модели сложных радиолокационных сигналов, отраженных от сложных целей, и сигна-лоподобных помех на основе функции рассеяния морской поверхности.

2. В результате анализа и обработки реальных сигналов, отраженных морской поверхностью в трех сантиметровом диапазоне электромагнитных волн, были получены основные статистические характеристики, которые позволили разработать статистическую модель отражений от моря. Исходной характеристикой статистической модели помех от морской поверхности послужила функция рассеяния (ФР) морской поверхности при низком расположении антенны PJ1C.

3. Доказана адекватность цифровой модели помех, формируемой на ЭВМ (ПЭВМ) с реальными данными измерений отражений от морской поверхности на псевдокогерентной PJIC «Лоция-М». Показано, что на основе разработанной модели можно сформировать сигналоподобную помеху с заданными корреляционно-спектральными свойствами, плотностью распределения вероятностей амплитуд и нестационарностью.

4. Разработана цифровая модель радиолокационного канала с использованием сложного когерентного сигнала произвольной формы, включающая формирователь множества движущихся и неподвижных целей, сигналоподобную помеху с заданной ФР, систему обработки: обнаружитель-измеритель дальности целей на фоне помех и шума приемника при стабилизации ложных тревог.

Практическая ценность диссертационной работы. Новые технические возможности по разработке имитаторов радиолокационных сигналов появились в последнее время в связи с наличием на рынке быстродействующих цифровых процессоров и ЭВМ, высокостабильных СВЧ-генераторов, полосковой техники, используемой для разработки приборов и элементов СВЧ [2, 58]. На имитаторах можно будет проверять различные характеристики PJIC. В частности будут возможны проверки качества алгоритмов формирования и обработки сигнала, характеристик разрешения и точности измерения параметров целей, качество траекторной обработки массива целей, помехоустойчивость и энергопотенциал PJIC и т.д. В настоящее время для такой проверки используют микроволновые ультразвуковые линии задержки СВЧ (например, на кристалле, желе-зо-итриевом гранате), работающие на отражение. Они обладают существенными недостатками: фиксированная задержка малой величины (от 2 до 8 мкс), большие потери при отражении сигнала, отсутствие доплеровского сдвига эхо-сигнала, малая допустимая пиковая и средняя входная мощность сигнала, большая стоимость (до 2000 10000 $ USA) [64]. В других типах имитаторов проверку характеристик систем обработки осуществляют на промежуточных или видео частотах [10, 72]. На фиксированных линиях задержки СВЧ диапазона или линиях задержки, основанных на применении спинового эха [1, 67], невозможно проверить работу блоков первичной и вторичной обработки сигнала в РЛС совместно, учесть погрешности работы аппаратуры по высокой и сверхвысокой частоте и оценить вклад ошибок каждого блока в общие ошибки системы. В настоящее время приходиться осуществлять проверки РЛС по частям, а не в целом. Поэтому при установке на носителе часто оказывается, что аппаратура РЛС не удовлетворяет оговоренным ранее ТТХ.

В диссертационной работе для проверки ТТХ когерентных РЛС со сложным сигналом большой базы и длительности предлагается новая схемная реализация имитатора, который осуществляет преобразование сигнала РЛС в цифровую форму, трансформацию его при отражении от целей и подстилающей поверхности (моря, земли) и преобразование сигнала и помехи в аналоговую форму.

Произведены сравнительные оценки моделированных пассивных помех с реальными, которые доказали правдоподобность модели. Полученная модель использована в имитаторе микроволнового диапазона.

Предложены методики проверки ряда важнейших показателей РЛС. Для проверки РЛС по параметру помехозащищенности, в работе предложен и технически реализован новый способ формирования сигналоподобной помехи от подстилающей поверхности, гидрометеоров и других точечных и распределенных флуктуирующих целей.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на: ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ в 2002 - 2004 гг; научно-технических конференциях НИИ «Прогноз» СПбГЭТУ; конференции «Информационно-телекоммуникационные технологии», 2004 г. Сочи.

По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 2 статьи [34,36], 3 тезиса докладов [35,37, 58].

Рекомендации по использованию полученных результатов. Используя предлагаемый автором имитатор, можно будет в заводских условиях выполнить все проверки, заменяющие и сокращающие комплекс полигонных испытаний бортовых и стационарных некогерентных и когерентных РЛС со сложными сигналами большой базы и длительности. Это существенно поможет снизить затраты на их проектирование, разработку и настройку РЛС, например, осуществляя проверки параметров на климатических и других видах испытаний в соответствии с существующими ГОСТами.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Она содержит список использованной литературы, перечень сокращений и условных обозначений.

Выводы по главе 4

1. Разработана функциональная схема имитатора радиолокационных сложномодулированных когерентных сигналов большой базы. На вход имитатора поступает когерентный сложный сигнал с произвольным модулирующей функцией. Выходным сигналом имитатора является задержанные исходные и флуктуирующие сигналы от нескольких целей и помехи от подстилающей (морской) поверхности с заданной функцией рассеяния и ПРВ амплитуд (рис. 4.1).

2. Рассмотрен принцип функционирования некоторых основных блоков (рис. 4.2 и 4.3) цифрового радарного процессора имитатора, формирующего толкую структуру имитирующих сигналов с заданными характеристиками на низкой (нулевой) частоте.

3. Предложены методики измерения основных параметров когерентной РЛС со сложным сигналом в лабораторных и натурных условиях с использованием имитатора.

4. Проведена экспериментальная проверка и апробация методик измерения ряда параметров радиолокатора на прототипе имитатора совместно с РЛС со сложным сигналом «Альфа», разработанной в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» [3]. Для сравнения показателей качества обработки сигналов было произведено сравнение результатов обработки имитатора с имитатором на акустической линии задержки [64].

164

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Дан обзор математических моделей радиолокационных эхо-сигналов от целей и морской поверхности. Рассмотрены: плотности распределения вероятности флуктуаций амплитуд и ЭПР, корреляционные и спектральные функции эхо-сигналов, отраженных от морских целей.

2. На основе взятых из литературы математических моделей рассмотрен ряд известных методов и устройств имитации сигналов, отраженных от морских целей и морской поверхности по ВЧ, ПЧ и видеочастоте, и несколько типовых схем имитаторов.

3. Отмечены основные недостатки различных типов имитаторов, главным из которых является невозможность имитации сложномодулированных сигналов от многоточечных целей и подстилающей поверхности, т.е. формирования совокупной сигналоподобной помехи.

4. Предложен и обоснован новый метод имитации сигналоподобной помехи для зондирующих сложных сигналов с большой базой и произвольной модулирующей функцией. Метод основан на использовании: 1) функции рассеяния помехи снятой экспериментально на когерентной импульсной РЛС с коротким импульсом и большим интервалом когерентного накопления сигнала от подстилающей (морской) поверхности; 2) исходной цифровой комплексной модели спектральной функции помехи, адекватной по своим характеристикам такой же функции, снятой экспериментально; 3) функции, определяющей зависимость мощности помехи от дальности, с помощью которой задается закон изменения мощности помехи от дальности. Последняя функция определяет нестационарность процесса отражений от моря.

5. Разработан алгоритм моделирования сигналоподобной помехи для произвольного закона модуляции сложного сигнала. Произведена оценка параметров распределения помех (функции рассеяния, ПРВ амплитуд), полученных в экспериментах на когерентной импульсной PJIC «Лоция-М», с теоретическим рэлеевским законом. Показано, что статистические характеристики помехи (плотность распределения амплитуд, корреляционные и спектральные функции), полученные на компьютерной модели и на эксперименте, совпадают с достаточно большой степенью достоверности. Показано, что разработанный метод позволяет формировать сигналопо-добную помеху с заданными вероятностными характеристиками.

6. Разработана цифровая модель эхо-сигналов от целей со многими блестящими точками, распределенными по дальности, с заданным законом флуктуаций амплитуд (или ЭПР цели) для сложномодулированных сигналов большой базы и с учетом квазинепрерывного режима работы.

7. Разработана цифровая модель радиолокационного канала для оценки качественных показателей РЛС. Показано, что с помощью комплексных представлений цифрового сигнала в смеси с шумом и помехой можно исследовать и оценивать и качественные показатели зондирующего сигнала РЛС и системы его обработки по ряду критериев. В частности, можно оценивать помехоустойчивость алгоритмов обработки сигналов по виду зависимости мощности аддитивной смеси сигнала с помехой и шумом приемника от дальности (задержки) для РЛС со сложным квазинепрерывным сигналом.

8. Предложена и разработана процедура статистического моделирования обнаружителя сложных когерентных сигналов, отраженных от флуктуирующих целей на фоне отражений от морской поверхности. Качество обнаружения сигнала оценивают с помощью характеристик обнаружения цели. Разработанная процедура моделирования обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с существующими методами аналитического расчета или экспериментальными измерениями по реальным целям на образцах или прототипах РЛС. Показана работоспособность цифровой модели, метода моделирования сигналов, помехи с обработкой в согласованных и рассогласованных фильтрах (СФ и РФ).

9. Разработана методика и алгоритм вычисления вероятности правильного обнаружения флуктуирующей цели как функции от задержки сигнала в пространстве (ХО цели) для сложного квазинепрерывного сигнала в смеси сигналоподобной помехой и обоснованы параметры и критерии статистических испытаний для получения достоверных результатов. Предложена структурная схема стабилизации уровня ложных тревог при условии нестационарности помех от морской поверхности с учетом квазинепрерывного сигнала большой длительности.

10. На основе статистических расчетов, на разработанной цифровой модели РК с указанными сигналами и сопряженными фильтрами, получены сравнительные оценки, показывающие эффективность разработанной методики, на основе которой можно оптимизировать алгоритмы обработки и осуществлять выбор структуры зондирующего сигнала. Расчеты показывают влияние на вероятность обнаружения уровня боковых лепестков ВФН квазинепрерывного сигнала в РЛС с одной антенной, формы диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости и режима коммутации прием-передача. На основе моделирования процесса обнаружения цели на фоне разрывной помехи произведена оценка качества обработки сигнала по отклику на выходе схем обработки сигналов и по ХО цели.

11. Разработана функциональная схема имитатора радиолокационных слож-номодулированных сигналов и проведена оценка результатов экспериментальных измерений на имитаторе совместно с когерентной РЛС со сложным сигналом «Альфа», разработанной в лаборатории радиолокационного мониторинга Кафедры радиотехнических систем СПбГЭТУ и НИИ «Прогноз». Рассмотрен принцип функционирования некоторых основных блоков цифрового радарного процессора имитатора, формирующего толкую структуру имитирующих сигналов с заданными характеристиками на низкой частоте. Предложены методики измерения основных параметров когерентной РЛС со сложным сигналом в лабораторных и натурных условиях с использованием имитатора. Для сравнения показателей качества обработки сигналов было произведено сравнение результатов обработки имитатора с имитатором на акустической линии задержки.

Общий вывод. Полученные в диссертационной работе результаты исследования позволяют проанализировать и оценить характеристики обнаружения целей и помехоустойчивость морских РЛС со сложными квазинепрерывными зондирующими сигналами при низко расположенной антенне; оценить качество формирования и обработки сложных когерентных сигналов морских РЛС; осуществлять выбор пар «сигнал-фильтр» из множества в условиях интенсивных отражений от морской поверхности; обосновать целесообразность и полезность использования имитаторов целей и пассивных сигналоподобных помех при проектировании, настройках в лабораторных, цеховых и полигонных условиях морских РЛС со сложными зондирующими сигналами, решать задачи выбора параметров сигналов и схемных реализаций при оптимизации упомянутых РЛС.

1. Амбрамов О. Ю. Имитация отражений сложных зондирующих сигналов РЛС с использованием явления электронного спинового эха». — Диссертация канд. техн. наук. Л.: ЛЭТИ, 1992. .

2. Байрашевский А. М., Жерлаков А. В., Ильин А. А. и др. Судовая радиоэлектроника и радионавигационные приборы. Учеб. для высш. инж. мор. учил. -М.: Транспорт, 1988. 271 с.

3. Бакалов В. П. Цифровое моделирование случайных процессов. — М.: САЙНС-СПРЕСС, 2002. 88 е.: ил.

4. Бакулев П. А. Радиолокационные системы. Учеб. для вузов. М.: Радиотехника, 2004. - 320 е.: ил.

5. Бакулев П. А., Сосновский А. А. Радиолокационные и радионавигационные системы. Учеб. для вузов. — М.: Радио и связь, 1994. 296 с. .

6. Бакулев П. А., Степин В. М. Методы и устройства селекции движущихся целей. — М.: Радио и связь, 1986. 288 с.

7. Бакут П. А., Большаков И. А., Герасимов Б. М. и др.: Под общей ред. Г. П. Тартаковского. Вопросы статистической теории радиолокации. М.: Сов. радио, 1964, т.1.

8. Басс Ф. Г., Фукс И. М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. — М.: Наука, 1972.

9. Бескид П. П., Виноградов Е. М., Винокуров Е. И. и др. Моделирование и испытание радиооборудования. Л.: Судостроение, 1981. — 304 с.

10. П.Бусленко Н. П. Метод статистического моделирования. М.: Статистика, 1970.-112 с.

11. Быков В. В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике. М.: Сов. радио, 1971.-328 е.: ил.

12. Вакман Д. Е., Седлецкий Р. М. Вопросы синтеза радиолокационных сигналов. — М.: Сов. радио, 1973.

13. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции / Пер. с англ. — М.: Сов. радио, т.1,1972.

14. Варакин JI. Е. Теория систем сигналов. М.: Сов. радио, 1978. - 304 с.

15. Варакин JI. Е. Системы связи с шумоподопными сигналами.- М.: Радио и связь, 1985. 384 е., ил.

16. Варакин JI. Е. Теория сложных сигналов. М.: Сов. радио, 1970.

17. Вентцель Е. С. Теория вероятностей: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., ипр. - М.: Наука, 1964. - 576 с.

18. Винокуров В. И. и Гантмахер В. Е. Дискретно-кодированные последовательности. Ростов-на-Дону: Изд. Ростовского университета, 1990.

19. Винокуров В. И., Генкин В. А., Калениченко С. П. и др.: Под ред. В. И. Винокурова. Морская радиолокация. — Л.: Судостроение, 1986. 256 е.: ил.

20. Власов В. И., Коган Н. Л., Раков В. И. и Тупысев А. Н.: Под общ. ред. В. И. Ракова. Судовые радиолокационные станции и их применение в 3-х томах (справочное руководство), т.1. Л.: Судостроение, 1969 - 1970. - 408 с.

21. Гавриленко В. "Цифровой синтезатор частоты", http://iss.hl .ru/r0043.html.

22. Гантмахер В. Е., Быстрое Н. Е., Чеботарев Д. В. Шумоподобные сигналы. Анализ, синтез, обработка. СПб.: Наука и техника, 2005. - 400 е.: ил.

23. Гнеденко Б. В. Курс теории вероятностей. М.: Наука, 1969,400 с.

24. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. -М.: Радио и связь, 1986. — 512 е.: ил.

25. Гонтарь И. Д., Кивва Ф. В., Рязанцев В. Ю. и др. Экспериментальное исследование радиолокационных сигналов, рассеянных морской поверхностью в диапазоне СВЧ. «Зарубежная радиоэлектроника», 1997, № 11, с. 32 - 50.

26. Гребцов Г. М. Эффективность обнаружения целей корабельными РЛС. — Л.: Изд. ВМА им. Маршала Советского союза Гречко А. А., 1988. 273с.

27. Евсиков Ю. А., Чапурский В. В. Преобразование случайных процессов в радиотехнических устройствах. Учеб. пособие для радиотех. спец. вузов. М.: Высш. школа, 1977. 264 е.: ил.

28. Защита радиолокационных систем от помех. Состояние и тенденции развития. / Под ред. А. И. Канащенкова и В. И. Меркулова. М.: Радиотехника, 2003.-416 е.: ил.

29. Зуйков В. А., Кулемин Г. П., Луценко В. И. Особенности рассеяния СВЧ излучения морем при малых углах скольжения. — Изв. вузов, «Радиофизика», 1981, т. XXIV, № 7, с. 831 839.

30. Информационные технологии в радиотехнических системах: Учеб. пособие / В. А. Васин, И. Б. Власов, Ю. М. Егоров и др.; Под ред. И. Б. Федорова. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. — 672 е.: ил. — (Сер. Информатика в техническом университете).

31. Ипатов В. П. Периодические дискретные сигналы с оптимальными корреляционными свойствами. — М.: Радио и связь, 1992. — 152 е.: ил.

32. Калениченко С. П. Судовые навигационные РЛС со сложномодулированным сигналом // Известия ГЭТУ «Корабельные системы электрорадиотехники, управления и навигации»: сб. науч. труд., вып. 509, СПб ГЭТУ «ЛЭТИ». СПб, 1997, с. 30-35.

33. Калениченко С. П., Коновалов А.А., Михайлов В. Н., Нгуен Хыу Тхань. Имитатор радиолокационных сигналов микроволнового диапазона. — Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», сер. «Радиотехника», 2004, вып. 1, с. 28 33.

34. Калениченко С. П., Михайлов В. Н., Нгуен Хыу Тхань. Моделирование отражений от морской поверхности в сантиметровом диапазоне электромагнитных волн. Изв. вузов России, сер. «Радиоэлектроника», 2004, вып. 3, с. 19-27.

35. Калениченко С. П., Меттус JI. С. Помехоустойчивость PJ1C со сложным квазинепрерывным сигналом в условиях воздействия пассивных помех. — Изв. вузов России, сер. «Радиоэлектроника», 2003, №1, с. 72-81.

36. Кетков Ю. Л., Кетков А. Ю., Шульц М. М. Matlab 6.x.: Программирование численных методов. — СПб.: БХВ-Петербург, 2004.

37. Киселев А. 3. Теория радиолокационного обнаружения на основе использования векторов рассеяния целей. М.: Радио и связь, 2002. - 272 е.: ил.

38. Коростелев А. А., Клюев Н. Ф., Мельник Ю. А. и др.: Под ред. В. Е. Дулеви-ча. Теоретические основы радиолокации. — М.: Сов. радио, 1978. 608с.

39. Красюк Н. П. и др. Влияние тропосферы и подстилающей поверхности на работу РЛС. М.: Радио и связь, 1988. - 216 с.

40. Кузьмин С. 3. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации. М.: Сов. радио, 1974. - 432 с.

41. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. Пер. с англ. под ред. В. С. Кельзона. — М.: Сов. радио, 1971. — 568 с.

42. Кулемин Г. П. Особенности обратного рассеяния радиоволн СВЧ морской поверхностью при очень малых углах скольжения. — «Зарубежная радиоэлектроника», 1998, № 12, с. 17-48.

43. Лебедев А. Н., Куприянов М. С., Недосекин Д. Д., Чернявский Е. А. Вероятностные методы в инженерных задачах: Справочник. — СПб.: Энергоатомиз-дат. Санкт-Петербургское отделение, 2000. — 333 е.: ил.

44. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга первая. М.: Сов. радио, 1969. 752 с.

45. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга вторая. М.: Сов. радио, 1968 504 с.

46. Леонов А. И., Леонов С. А., Нагулинко Ф. В. и др.: Под ред. А. И. Леонова. Испытание РЛС (оценка характеристик). — М.: Радио и связь, 1990. 208 с.

47. Леонов А. И., Васенев В. Н., Гайдуков У. И. и др.: Под ред. А. И. Леонова. Моделирование в радиолокации. — М.: Сов. радио, 1979. — 264 е.: ил.

48. Леонтьев В. В. Вероятностная модель рассеяния сантиметровых радиоволн объектом вблизи взволнованной морской поверхности. «Радиотехника». 1998, №4, с. 3-8.

49. Леонтьев В. В. Методы теоретической и экспериментальной оценки радиолокационного рассеяния морских объектов. Диссертация док. техн. наук. СПбГЭТУ, СПб: 2000. 326 с.

50. Леонтьев В. В. Характеристики радиолокационного рассеяния морских объектов./ Учеб. пос. СПб ГЭТУ, 1999.

51. Марпл-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ: Пер. с англ. под ред. И. С. Рыжака. М.: Мир, 1990. 584 е.: ил.

52. Математические модели, методика и задачи моделирования радиосистем: Учеб. пос. // Л. Н. Медынцев, Л. Я. Новосельцев, Е. В. Носкова и др./ ГЭТУ. -СПб, 1994.

53. Мишель X. Отражение радиолокационных эхо-сигналов от морской поверхности (модели и экспериментальные результаты). «Зарубежная радиоэлектроника», 1972, № 7, с. 13 - 26 .

54. Моделирование радиотехнических систем: Учеб. пособие // Л. Н. Медынцев, С. А. Пыко, Л. Я. Новосельцев и др. / ГЭТУ. СПб, 1993.

55. Обработка сигналов в радиотехнических системах: Учеб. пособие / Далма-тов А. Д., Елисеев А. А., Лукошкин А. П. и др.; Под ред. А. П. Лукошкина. -Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1987. 400 с.

56. Построение судового радиооборудования. Бескид П. П., Валеев В. Г., Викторов А. Д., Винокуров В. И. и др. — Л.: Судостроение. 1982. 232 с.

57. Потапов А. А. Фракталы в радиофизике и радиолокации. Основы теории рассеяния волн фрактальной поверхностью. «Радиотехника и электроника». 2002, т. 47, №5, с. 517 544.

58. Применение цифровой обработки сигналов. / Под ред. Э. Оппенгейма. Пер. с англ. под ред. А. М. Рязанцева. — М.: Мир, 1980. 552 с.

59. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника» / Ю. П. Гришин, В. П. Ипатов, Ю. М. Казаринов и др.; Под ред. Ю. М. Казарино-ва. М.: Высш. шк., 1990. - 496с.: ил.

60. Разработка имитатора отраженных радиолокационных сигналов сантиметрового диапазона волн: Отчет о НИР. НИИ «Прогноз» СПбГЭТУ. ГР №01200117531; Инв. №02200205842. - СПб, 2001 г.

61. Разработка принципов построения радиолокационных систем экологического мониторинга с использованием РЛС со сложным сигналом: Отчет о НИР. НИИ «Прогноз» СПбГЭТУ. ГР №01200402927; Инв.№02200400989. - СПб, 2004 г.

62. Свердлик М. Б. Оптимальные дискретные сигналы. — М.: Сов. радио, 1975.

63. Слока В.К. вопросы обработки радиолокационных сигналов. М.: Сов. радио, 1970.-256 с.

64. Современная радиолокация (анализ, расчет и проектирование систем). / Под ред. Р. С. Берковица. Пер. с англ. под ред. Ю. Б. Кобзарева. М: Сов. радио, 1969.-704 с.

65. Справочник по радиолокации в 4-х томах. / Под ред. М. Скольника: пер. с англ./ Под общ. ред. К. Н. Трофимова, т. 1 «Основы радиолокации». — М.: Сов. радио, 1976.-456 с.

66. Справочник по радиолокации в 4-х томах. / Под ред. М. Скольника: пер. с англ./ Под общ. ред. К. Н. Трофимова, т. 2 «Радиолокационные антенные устройства». — М.: Сов. радио, 1977. 408 с.

67. Справочник по радиолокации в 4-х томах. / Под ред. М.Скольника: пер. с англ./ Под общ. ред. К.Н.Трофимова, т. 3 «Радиолокационные устройства и системы». М.: Сов. радио, 1978. - 528 с.

68. Тверской Г. Н., Терентьев Т. К., Харченко И. П. Имитаторы эхо-сигналов судовых радиолокационных станций. — Л.: Судостроение, 1973. — 224 с.

69. Теория обнаружения сигналов./ Под ред. П. А. Бакута. М.: Радио и связь, 1984.

70. Ширман Я. Д. Разрешение и сжатие сигналов. М.: Сов. радио, 1974. — 360 с.

71. Ширман Я. Д., Голиков В. Н., Бусыгин И. Н. и др.: Под ред. Я. Д. Ширмана. Теоретические основы радиолокации. — М.: Сов. радио, 1970. — 560 с.

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

73. Шляхин В. М. Вероятностные модели нерэлеевских флуктуаций радиолокационных сигналов. «Радиотехника и электроника», 1987, т. 32, № 9, с. 1793 -1817.

74. Фельдман Ю. И., Мандуровский И. А. Теория флуктуаций локационных сигналов, отражённых распределёнными целями / Под ред. Ю. И. Фельдмана. — М.: Радио и связь, 1988. 272 с.

75. Финкельштейн М. И. Основы радиолокации. / Учебн. для вузов. М.: Сов. радио, 1973,496 с.

76. Фукс И. М. К теории рассеяния радиоволн на взволнованной поверхности моря. Изв. вузов. Сер. «Радиофизика», 1966, т. 9, № 3, с. 876 - 885.

77. Цифровая обработка сигналов / А. Б. Сергиенко СПб.: Питер, 2003. - 604 с.

78. Цифровая обработка сигналов: справочник. Л. М. Гольберг, Б. Д. Матюш-кин, М. Н. Поляк. М.: РиС, 1985. - 312 е.: ил.

79. Харкевич А. А. Спектры и анализ. М.: ФМ, 1962. 236 с.

80. Chanjuan Y., Wei Y., Wannai Y. Simulation of Compound K-distribution Seaclutter // CIE international conference of radar proceedings. Beijing, China. 8-10 October 1996. Publishing house of electronic industries: Beijing, 1996. — P. 219222.

81. Dome G. I., Fung A. K., and Moore R. K. An empirical model for ocean radar backscatter and it application in inversion routine to estimate speed and effect. URSI Commis. F. Colleg. Ouvert, La Baule 1977, c.r. La Baule, 1977, pp. 591 -596.

82. Giorgio F., Antonio I., Maurizio M. and Daniel R. "Scattering from Natural Rough Surfaces Modeled by Fractional Brownian Motion Two-Dimensional Processes". IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 47, pp. 1405 — 1415, no 9, Sept. 1999.

83. Fred E. N., Patrick J. Reilly, Marvin N. Cohen. Radar Design Principles Signal Processing and the Environment. 2-d Edition. Prentice-Hall of India. New Delhi, -713 pp.

84. Long M. W. Radar Reflectivity of Land and Sea. 3-d Edition. New York: Artech House, 2000. 560 pp.

85. Radar Handbook./Editor in chief, M. Skolnik. SE 1996. McGraw-Hill publishing company.

86. Shirman Y. D. Computer simulation of aerial target, radar scattering, recognition detection and tracking. Boston London: Artech House, 2002.

87. Sujuan F., Wugao L., Dejun Z. Modeling and simulation of non Gaussian correlated clutter // CIE international conference of radar proceedings. Beijing, China, 8 10 October 1996. Publishing house of electronic industries: Beijing, 1996. - P. 195-199.