автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Цифровые методы имитации эхосигналов РЛС с синтезированием апертуры антенны

На правах рукописи

УДК 621.396.96

Белоруцкий Роман Юрьевич

Цифровые методы имитации эхосигналов РЛС с синтезированием апертуры антенны

Специальность: 05.12.14 - Радиолокация и радионавигация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 ОКТ 2014

005553060

Томск-2014

005553060

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Киселев Алексей Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» Фатеев Юрий Леонидович

кандидат технических наук,

начальник сектора, заместитель главного конструктора ОАО «НИИ измерительных приборов - Новосибирский завод имени Коминтерна» Богачев Виктор Александрович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)»

Защита состоится 10 сентября 2014 г. в 16:45 на заседании диссертационного

совета Д212.268.04 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40,

ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТУСУРа по адресу: 634034, г. Томск, ул. Вершинина, 74 и на сайте ТУСУР: 11Крг/7\\ау\у.П^иг.п1/ги/^с!епсе/еёисайоп/(1!з8.1пт1

Автореферат разослан ЦЮИ.У_ 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.268.04.

д.т.н., профессор

Введение

Актуальность темы

При создании радиолокационных станций (PJIC) находят широкое применение имитаторы эхосигналов. Имитаторы позволяют организовывать на входе РЛС или отдельных её узлов сигналы, соответствующие реальной радиолокационной обстановке. За счет этого удается проверять характеристики и контролировать функционирование PJIC в лабораторных условиях, тем самым существенно сократить временные и материальные затраты, отложив проведение полноценных натурных испытаний на поздние этапы разработки.

Особую сложность имеет задача имитации эхосигналов РЛС с синтезированием апертуры антенны (РСА). Высокая разрешающая способность РСА определяет большой объем информации, которую несет эхосигнал, отраженный от поверхности земли. Его имитация требует воспроизведения законов изменения фазы и задержки эхосигналов от множества отдельных элементов поверхности с точностью до единиц градусов и долей элемента разрешения РСА по дальности, соответственно. Как правило, эхосигнал формируется по следующей цепочке: отсчеты его комплексной огибающей (КО) получают в цифровом виде, далее они подаются на ЦАП, полученный сигнал переносится на рабочую частоту РЛС. Основную сложность при этом составляет расчет отсчетов КО. Для формирования эхосигналов с упомянутой точностью в реальном масштабе времени (РМВ) необходима огромная производительность вычислительных средств. Это породило множество методов имитации, реализующих различные подходы к снижению объемов вычислений. Всех их принципиально можно разделить на использующие заранее подготовленный сигнал и рассчитывающие его непосредственно в РМВ. Использование первого варианта ограничивается тем, что необходимо заранее точно знать траекторию моделируемого полета носителя РСА, направление луча ДНА, параметры зондирующего сигнала и другие характеристики РЛС, что на практике не всегда возможно. Второй требует огромных вычислительных ресурсов (как отмечается в литературе, для

имитации 10 -з-Ю элементов поверхности необходимо производить порядка 1,4-1014 -г-1,4-1019 арифметических операций в секунду) или значительного сокращения числа элементов.

Компромиссным вариантом является концепция двухэтапной имитации эхосигналов, когда заранее на первом этапе подготавливается так называемый инвариантный сигнал. Для РСА он фактически представляет собой отсчеты КО эхосигнала от заданного участка поверхности (включающего / элементов - отражателей), рассчитанные для некоторой заданной траектории движения носителя РЛС, из которых устранен набег фазы и задержка, соответствующие сигналу от центральной (опорной) точки (отражателя) участка. На втором этапе в РМВ осуществляется его преобразование в имитируемый эхосигнал, для этого уже согласно текущим условиям эксперимента ему вновь устанавливается фаза и задержка, и вместе с этим корректируется ширина доплеровского спектра. Операция преобразования требует существенно меньшего объема вычислений, чем непосредственный расчет отсчетов КО сигнала в РМВ: порядка 8-10 операций умножения на отсчет по дальности, на выполнение которых при формировании эхосигнала из 1024 отсчетов при частоте повторения зондирующих импульсов 1 кГц отводится порядка 1 мкс, что осуществимо при использовании типового ПК. Остается нерешенным вопрос, в какой мере могут быть отклонены параметры движения (траектория и скорость) носителя в процессе полунатурного эксперимента, чтобы это не привело к заметным искажениям РЛИ РСА. Известные исследования не дают ответа на этот вопрос. Анализируя влияние траекторных нестабильностей при синтезировании апертуры на качество радиолокационного изображения (РЛИ) РСА, там решается принципиально иная задача.

Дальнейшее сокращение вычислительных затрат на имитацию эхосигналов в РМВ связано с решением другого вопроса. Очевидно, что количество операций по расчету сигнала пропорционально количеству отсчетов его КО, приходящихся на один элемент разрешения РСА по дальности. Традиционно используется два отсчета, однако дискретная структура сигнала может явиться

причиной искажений РЛИ, которые тем сильнее, чем грубее выбирается шаг дискретизации сигнала по оси задержки. Для выбора значения шага необходимо с одной стороны определить его взаимосвязь с уровнем искажений РЛИ, с другой - разработать меры по их снижению.

Оба вышеозначенных вопроса составляют проблематику, решению которой посвящена настоящая работа.

Цель работы: обосновать возможность имитации эхосигналов РСА, используя подготовленный заранее инвариантный сигнал при априорно неточно известных траектории и скорости движения носителя, и разработать меры по снижению вычислительных затрат на его преобразование в отсчеты комплексной огибающей имитируемого эхосигнала.

Для достижения цели решены следующие основные задачи:

1. Установлена зависимость между искажением геометрии РЛИ по координатам наклонной и путевой дальности и отклонением траектории носителя РСА от заданной при формировании инвариантного сигнала.

2. Получены соотношения для определения границ пространства, при моделировании полета в пределах которых применим инвариантный сигнал.

3. Установлена связь между искажениями функции отклика (ФО) РСА и шагом дискретизации сигнала по оси задержки.

4. Предложены меры по снижению уровня искажений ФО вдоль азимутальной оси при грубой дискретизации сигнала по оси задержки.

5. Произведена экспериментальная проверка полученных теоретических результатов и разработаны рекомендации по построению программно-аппаратных комплексов имитации эхосигналов на их основе.

Методы исследования. При проведении исследований были использованы: теория цифровой обработки сигналов, методы математического анализа, цифрового моделирования и теория радиолокации.

Достоверность и обоснованность теоретических результатов обеспечивается экспериментальными данными, строгостью применяемого математи-

ческого аппарата, а также результатами математического моделирования на ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту

1. При имитации эхосигнапов РСА на основе заранее подготовленных отсчетов комплексной огибающей точная установка текущей фазы и задержки сигнала для элемента в центре картографируемого участка поверхности, а также ширины доплеровского спектра, позволяет моделировать движение носителя с параметрами, существенно отличающимися от тех, для которых рассчитаны отсчеты.

2. Дискретное изменение задержки имитируемого эхосигнала приводит к искажениям функции отклика (ФО) РСА, состоящим в появлении дополнительных максимумов вдоль азимутальной оси и изменении её формы в сечении по дальности.

3. Уровень дополнительных максимумов ФО РСА, обусловленных дискретной задержкой сигнала, можно снизить за счет замещения каждого из отражающих элементов поверхности двухточечной моделью. Эффект от применения двухточечной модели эквивалентен уменьшению шага дискретизации комплексной огибающей имитируемого сигнала приблизительно в два раза.

Научная новизна работы

1. Установлена связь между искажением РЛИ и отклонением моделируемой траектории носителя РСА от задаваемой при предварительной подготовке отсчетов КО имитируемого сигнала. На этой основе определены границы пространства, в пределах которых возможно отклонение траектории.

2. Установлена связь между величиной шага дискретизации имитируемого сигнала по оси задержки и искажениями функции отклика РСА.

3. Предложен способ снижения искажений ФО РСА, обусловленных дискретностью задержки сигнала, путем формирования последнего с помощью двухточечной модели, образованной сигналами, смещенными друг относительно друга на шаг дискретизации задержки.

Практическая ценность работы

Полученные результаты применимы при создании имитаторов эхосигна-

лов.

1. Получены соотношения, позволяющие определить границы пространства, в пределах которого моделируемая траектория носителя РСА может быть отклонена от использованной при расчете отсчетов инвариантного сигнала.

2. Получены оценки искажений функции отклика РСА, позволяющие под их заданный уровень выбрать значение шага дискретизации задержки имитируемого эхосигнапа.

3. Разработан способ снижения искажений функции отклика РСА путем замены сигнала, задержка которого меняется дискретно, сигналом от двухточечной модели, образованной сигналами смещенными друг относительно друга на шаг дискретизации задержки.

4. Разработаны рекомендации по синтезу имитаторов эхосигналов.

Внедрение результатов работы. Основные результаты внедрены при выполнении договора с ОАО «ЦНПО Ленинец» по разработке программно-аппаратного комплекса имитации эхосигналов для отработки перспективных радиолокационных систем.

Личный вклад автора. Все выносимые на защиту результаты получены автором лично. Из 13 опубликованных работ 6 написаны в соавторстве. В работах, опубликованных в соавторстве, результаты, относящиеся к тематике работы, получены автором.

Апробация работы. Основные положения работы публиковались в материалах конференций:

1. 10-я международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения 2010». - Новосибирск, НГТУ, 22-24 сентября 2010 г.

2. Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации». - Новосибирск, НГТУ, 3-5 декабря 2010 г.

3. Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации». - Новосибирск, НГТУ, 2-4 декабря 2011 г.

4. Современные проблемы радиоэлектроники. - Красноярск, Сиб. федер. унт, 2011 г.

5. 5-я всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь». - Москва, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 21-25 ноября 2011 г.

6. 6-я всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь». - Москва, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 9-22 ноября, 2012 г.

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 13 работ. Из них 4 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК; 6 публикаций в трудах всероссийских и международных конференций; 3 депонированные рукописи.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти основных разделов, заключения, списка литературы, включающего 118 наименований и семи приложений. Текст диссертации изложен на 204 страницах, содержит 8 таблиц и 58 рисунков.

Содержание работы

Введение содержит обоснование актуальности диссертационной работы, её цель и задачи, краткое содержание, а также описание научной новизны и практической значимости работы.

В первом разделе приведен обзор возможностей современных РСА и методов имитации их эхосигналов. Показано, что имитация эхосигналов РСА требует высокой подробности воспроизведения структуры сигналов при жёстких требованиях к точности моделирования фазового набега и задержки.

Для имитации поверхность (или объект) представляют матрицей коэффициентов отражения ст,, распределенных по поверхности Земли. Повсеместно используемая модель эхосигнала РСА представляет собой совокупность парциальных сигналов от точечных отражателей:

1=1

где изонд (?) - зондирующий сигнал; /, 1 - порядковый номер эквивалентного

отражателя в двумерной матрице и общее их количество; <т, = сг; • е ИРа', х31 =2Г[/с, (р, = 4кГ[/X - коэффициент отражения, время задержки и фаза эхо-сигнала от /-го отражателя; сг,-, <рш - модуль коэффициента отражения, случайная начальная фаза сигнала от г'-го отражателя; Рант (?) - функция, характеризующая модуляцию сигнала ДНА; /• — наклонная дальность до /-го отражателя; с - скорость распространения радиоволн; Л - длина волны РЛС.

Учитывая, что реальное количество имитируемых отражателей может составлять миллионы, непосредственный расчет по (1) требует крайне высокой производительности вычислительных средств имитаторов эхосигналов для работы в РМВ.

Показано, что среди существующих методов лишь концепция двухэтап-ной имитации эхосигналов позволяет решить противоречие между необходимостью формирования сигнала в РМВ согласно текущим условиям эксперимента и возможностью организации этого без привлечения уникальных вычислительных ресурсов. Согласно концепции на втором этапе имитации отсчеты подготовленного на первом этапе инвариантного сигнала преобразуются в имитируемый эхосигнал. Если траектория или скорость носителя оказываются отклоненными от тех, для которых инвариантный сигнал рассчитан, точное значение задержки и фазы будет иметь лишь парциальный сигнал от опорного отражателя. Для сигналов от остальных будет присутствовать ошибка, тем большая, чем дальше расположен отражатель относительно опорного. Вместе с тем, инвариантный сигнал может обладать устойчивостью к отклонениям параметров движения носителя, если влияние этих ошибок на РЛИ остается несущественным. Практическое применение этого факта состоит в том, что одни и те же отсчеты инвариантного сигнала могут использоваться для имитации при полете носителя по разным траекториям и их участкам. Этим обеспечивается возможность

изменения условий моделирования при сохранении вычислительной экономичности концепции. Однако для этого необходимо определить границы пространства, в пределах которых допустим полет с отклонением параметров движения.

За решением этого вопроса следующим является уменьшение количества вычислительных операций уже по преобразованию инвариантного сигнала в РМВ. Здесь очевидным путем является сокращение отсчетов КО имитируемого сигнала, приходящихся на элемент разрешения РЛС по дальности. При грубом шаге дискретизации можно обеспечить минимальное количество вычислений, однако будет иметь место заметное искажение РЛИ. Проблема состоит в дис-

кретности задержки парциальных сигналов от отражателей, положение которых оказывается «привязанным» к фиксированным (рис. 1).

Рис. 1. Положение имитируемых отражателей: произвольное (а), при дискретной установке задержки (б) Также искажения возникают по азимутальной координате: функция отклика РСА приобретает дополнительные максимумы (рис. 2). Очевидное следствие их высокого уровня - присутствие ложных отметок на РЛИ.

Рис. 2. Сечение по азимуту РЛИ одиночного отражателя при дискретном изменении задержки имитируемого эхосигнала от него (по горизонтальной оси отложены номера отсчетов)

б)

дБ о

Необходимо исследование связи между шагом дискретизации и степенью искажения РЛИ. Это позволит определить оптимальное количество отсчетов КО сигнала на элемент разрешения по дальности, при котором обеспечивается допустимый уровень искажений РЛИ. С другой стороны для выбора ещё более грубого шага дискретизации необходима разработка мер по снижению искажений РЛИ.

Итогом первого раздела является конкретизация задач диссертационной работы.

Второй раздел посвящен анализу искажений РЛИ, вызванных отклонением моделируемых в ходе полунатурного эксперимента параметров движения носителя РСА от задаваемых при расчете инвариантного сигнала.

Первоначально рассматривается случай отклонения траектории носителя при соответствии скорости движения ожидаемой. Показано, что результирующая ошибка в значении фазы и задержки сигнала приводит к смещению отметки от имитируемого отражателя на РЛИ по координатам наклонной дальности и путевой (азимуту), соответственно (рис. 3).

Рис. 3. Наложенные РЛИ: одно получено при движении носителя РСА по расчетной траектории, другое - при отличной от расчетной. Вертикальная ось соответствует координате дальности, горизонтальная - азимутальной координате

Показано, что по оси дальности смещение определяется отклонением разности расстояний между опорной точкой и имитируемым отражателем (рис. 4). Путем разложения этой функции в ряд получено выражение:

ААк =

1 Ал

г + -

АуАх

Ах,- +

АгАх

АхАу . АгАг , .2

АГ

^Ау л

Ах,- + ,—1. Ау1 +

АуАг

д

2

1 Аг

Аг;

Ах„ +

Лу„ +

4«.

где Ах;, А_у;, Аг; - величины сдвига имитируемого отражателя по координатным осям относительно опорной точки (х0,у0,г0); Ах = (х0 -х'и),

лУ = (Уо~Ун)> А2 = (го-2;); В = Ах2 + Ау1 + Аг2; (х'н,у'н,г'н) - координаты носителя, определяемые условиями моделирования на втором этапе имитации:

хн=х'н+Ахн\ ун=у'н+Аун\ 2н=г'н + Агн, где Ахн, Аун, Агн - величины отклонения носителя по координатным осям; (х„,ун,г„) - координаты носителя, задаваемые при расчете инвариантного сигнала.

У

(х„,у„,ги)

Рис. 4. Расположение имитируемого отражателя и опорной точки

Показано, что при равномерном движении носителя смещение отметки от имитируемого отражателя по азимутальной оси определяется отклонением разности доплеровских частот сигналов от отражателя и опорной точки:

ДДсоа =^|(?|.ддс> (Дх„,ДЛ,Д2„).

(3)

где ДДС^-. {Ахн,Ауи,А2и) - отклонение разности косинусов углов наблюдения

имитируемого отражателя и опорной точки.

Разложив функцию ДДС^. {Ахп,Аун,А2и) в ряд, получено выражение:

ДДС^Д Дх„, Ду„, Дгн ) = щ ■

ЗУх-Ах + АуУу + Аг-У2 З-У-Дх2

Дх,+

Ау-Ух+Ах-Уу З^-Ах-Ау

Ду,- +

Аг,

л/в* ^

Аг-Ух + Ах-Ух З-У-Дх-Дг

Тя5"

Аг-Ку+Ду-Гл ЗУ • ДуДх ЗДу ■Уу+Ах-Ух+Аг-У1 3/ • Ау2 Аг-Уу+Ау-У2 ЗJ■AyAz

Дх„ +

АХ: +

АУ; +

Ах-У7+А7-Ух ЗJ -АгАх

[

Ау-У2+А1-Уу и-Аг-Ау

Дг;

АЛ

АХ; +

Ду,.+

Тя1

ЗУ,-Аг + Ах-Ух+АуУу 3/-Дг2

Ч \

Дг,- Агн

)

(4)

где 3 = Ах- Vх + Ау - Vу + Аг- VУ \УХ",Уу\Уг] - вектор скорости носителя.

Получены соотношения для перехода от значения ДДгод к величине смещения отметки на РЛИ.

Оба выражения (2) и (4) имеют структуру аналогичную:

ААП (Л*„,Лу„,Л2„) = К^ -Ахн+КАун ■Аун+К&2н -Дг,,, где каждый коэффициент связан с Ах,-, Ау-, через подкоэффициенты, каждый из которых есть функция от переменных Ас, Л_у, Аг, например:

Кахн (Аг;,Ду^Аг,-,Ах, Ду, Аг) = К^^-Ах^К^. • Ду, + Яд^ - А-.

Показано, что границы пространства, в пределах которого можно моделировать движение носителя РСА, должны определяться допустимым значением смещения отметки на РЛИ. Исходя из наихудшего случая (наибольшего смещения отметки) на основе (2) и (4) получены экстремальные выражения для определения границ пространства:

Аопг =Дг =Аг =Ду =_макс._

'-^■У'-н макс. '-^н макс. н макс. ^Ун макс. „ „ >

Ахн макс. макс. Аун макс.

(5)

где АА^ макс - допустимое смещение отметки;

К&х„ макс. =|-^Дх„Д1,. + ' у„ макс. = \КАу„Ах, ' + |^ДуяДг,- '

Здесь рассматривается случай имитации двумерного РЛИ, когда Ayj = 0. В качестве значений Ас,- и Аг1 должны браться наибольшие для имитируемого РЛИ.

Показано, что в пределах рассчитываемых границ пространства носитель может двигаться со скоростью, отличной от предполагаемой заранее.

С помощью математического моделирования подтверждена справедливость полученных соотношений и факт устойчивости инвариантного сигнала к отклонению параметров движения носителя РСА, если отклонение его координат не превысит определенные согласно (5) значения.

Таким образом, определены границы пространства, в пределах которых должен моделироваться полет носителя РСА при имитации эхосигнала на основе инвариантного.

Третий и четвертый разделы посвящены исследованию влияния дискретной структуры имитируемого эхосигнала по оси задержки на РЛИ и разработке мер по его снижению. Основной проблемой при этом является то, что задержка парциальных сигналов от отражателей в составе имитируемого эхосигнала (1) может меняться только с шагом его дискретизации. Для РСА это особенно важно, поскольку при накоплении траекторного сигнала происходит перераспределение отражателей по наклонной дальности с соответствующим изменением задержек парциальных сигналов.

В третьем разделе исследуется форма отклика РЛС в одном периоде зондирования. Для обеспечения плавного изменения задержки сигнала (положения имитируемого отражателя по дальности) при грубом шаге дискретизации предложено использовать двухточечную модель. Она образуется двумя сигналами, смещенными друг относительно друга на шаг дискретизации задержки. При попадании расчетного значения задержки в промежуток между дискретами, эхосигнал от отражателя предложено формировать совокупностью двух вышеозначенных сигналов, образующих двухточечную модель. Тогда отражатель замещается эквивалентным центром излучения (ЭЦИ) модели, а координата ЭЦИ зависит от отношения амплитуд двух сигналов. Форма отклика на сигнал от модели определяется выражением:

8 (0 = Лл ■ я 0 (■г - тзП ) + Ап ■ ё 0 (г - тзП ) • (6)

где Ап, А¡2 и тзП, тзП - амплитуды и задержки сигналов двухточечной модели (гз/2 > тзпУ> £о (г) ~ отклик РЛС на сигнал от одиночного отражателя.

Шаг дискретизации задержки сигнала (размер двухточечной модели):

Лт = т3,-2-тзП. (7)

Значения амплитуд Ап и Аа связаны и определяются координатой ЭЦИ:

_ _ АП • тзП + АП • тзП /о\ Г3< -А-;-' ^

АП + А; 2

где т31 е [г"3(|;гз/2] - координата ЭЦИ (задержка сигнала от имитируемого отражателя).

Фазы сигналов двухточечной модели устанавливаются такими, чтобы с учетом разницы их задержек, результирующее значение фазы каждого сигнала равнялось фазе сигнала от имитируемого отражателя.

Очевидно, что отклик Я (г) будет искажен по сравнению с эталонной

формой ЯоМ (далее §(г) называем искаженным).

В качестве формы эталонного отклика рассмотрена треугольная, имеющая место при оптимальной обработке простого импульсного зондирующего сигнала и соответствующая главному лепестку сжатого ФКМ сигнала. В этом случае g{т) выглядит, как изображено на рис. 5.

2 1.5 1

0.5 О

-

\ -

\ ч

0 1

3 4

а)

Рис. 5. Искаженный, эталонный, а также отдельные отклики на сигналы от отражателей модели (а); нормированные искаженный и эталонный отклики (б) (здесь единицы измерения задержки г нормированы к размеру модели Д т; тз1 =3.6, т3ц = 3, т^ = 4, длительность импульса ти = 2)

Исходя из треугольной формы go(í") получены аналитические соотношения для оценки искажений g(т) по таким критериям, как ширина отклика, положение максимума, центра тяжести и середины сечения. Получены графические зависимости этих показателей от положения ЭЦИ для разных значений отношения шага дискретизации задержки к длительности зондирующего импульса с! = А г/г„ .

Выражение для нахождения ширины по уровню / < 1:

Аг, =

2г„ + г,,. ,±

АцТзП + 42гз;2

4,+42 К^!1—!!7''-

2г„

4,

(уч. 1) (уч. 2.1 и 2.2) (уч. 3.1) (уч. 4.1 и 4.2)

Т 4-1 + Ь.1) + 4-2 (г. - Тм ) ^ { 1 -г 1

4-2-41

4-2-4ч 41.2

Ат

4-1,2 +4-2,,|1-—^/вГ„, (уч. 3.2)

(9)

Здесь при обозначении Ап2, Аа \, тзП 2 > гз/2,1 и «± »> « + » первая цифра индекса и верхний знак относятся к случаю Ап > А12, вторая цифра и нижний знак - к А¡2 > Ап. Перед использованием (9) определяется, к какому из четырех участков огибающей отклика (рис. 6) принадлежит . Для этого получены соответствующие соотношения.

У \ _1------ /К Л

..........7 \|.............. ' 1 \ ! 1К V----------

/ Гч / \ / ! ! \ / \

/ \ \ / / ! I \ [ \

тзП тзП

■ч г тзП тзП

тзП тзП

ТзП Г312

уч.4 уч.З уч.2 уч.1

а) б) в) г)

Рис. 6. Варианты формы отклика при Ап > Аа: №1 - (а), №2 - (б); при Аа > Ап: №1 - (в), №2 - (г)

На рис. 7 показана зависимость ширины я (г), нормированной к ширине эталонного отклика для й? = 0.1, 0.2,...1. Здесь п - номер шага измене-

ния временной координаты ЭЦИ (г3,-) от значения тзП к тзП.

1

О 5 10 15 20 25 30 35 40 0 5 10 15 20 25 30 35 40

а) б)

Рис. 7. Зависимость нормированной ширины искаженного отклика от положения ЭЦИ для сечения отклика по уровню = 0.707 (а), 1„ = 0.5 (б)

Полученные соотношения и графики позволяют определить допустимое значение с/ = Дг/гм , при котором искажения отклика не будут выходить за заданные пределы. Этим будет обеспечиваться адекватность моделирования эхо-сигнала при имитации.

Разработаны также способы управления амплитудами сигналов двухточечной модели (отличные от (8)), позволяющие устанавливать в заданное положение центр тяжести и середину сечения отклика на сигнал от модели при сохранении заданной площади фигуры отклика или его энергии. Соответствующие выражения получены для треугольной формы эталонного отклика. Их использование позволит свести к нулю ошибки моделирования при оценке положения отклика по оси задержки исходя из соответствующих критериев.

С помощью математического моделирования получены оценки искажений отклика на сигнал от модели при формах £0 (г), отличных от треугольной. Установлено, что при ряде условий оценку можно производить по соотношениям для треугольной формы, как соответствующей наиболее пессимистичным результатам.

В четвёртом разделе произведен анализ искажений двумерной функции отклика РСА, обусловленных дискретностью изменения задержки имитируемого эхосигнала на интервале накопления траекторного сигнала РСА. Показано,

что при этом амплитуда траекторного сигнала определяется функцией

и меняется по близкому к периодическому закону, форма которого зависит от способа управления амплитудами сигналов двухточечной модели. Показано, что искажения ФО проявляются в виде дополнительных максимумов по азимутальной оси, также меняется форма и ширина сечения ФО вдоль оси дальности (рис. 8).

1

0.8 0.6 0.4 0.2 0.

7Т

х.....

■ чу -

Л.

А

75 150 225 300 б)

0 (Ь 0

№

Ч-У Ш

О У О

192

224

288

320

Рис. 8. Сечение двумерной нормированной ФО РСА по азимуту вдоль линии совмещенных ЭЦП (а); сечение главного пика искаженной и эталонной ФО по дальности (б); контурный график уровней (дБ) ФО (по вертикали - ось дальности, по горизонтали - ось азимута; по осям отложены номера отсчетов) (в)

Искажения двумерной ФО РСА оценены путем анализа спектра ампли-тудно-модулированного траекторного сигнала: амплитуды его гармоник соответствуют амплитудам дополнительных максимумов ФО. Методом математического моделирования получена оценка по критериям: средней мощности Рс

и максимального уровня первого дополнительного максимума относительно главного пика ФО [с1 тах|, а также ширины сечения главного пика по дальности. Произведено сравнение искажений ФО по этим показателям для случаев: дискретного изменения задержки без применения двухточечной модели и с её

применением для законов управления амплитудами сигналов модели, предложенных в третьем разделе.

Установлено, что при большом количестве периодов повторения g(V(^')) огибающая сечения главного пика ФО по дальности принимает сглаженную форму, принципиально не отличающуюся для разных законов управления Ап и А12 (рис. 86). Наибольшее её расширение, как и разница между законами, наблюдается при больших с/ (¿/е(0;1]).

Показано, что применение двухточечной модели позволяет снизить уровни дополнительных максимумов ФО. При этом предпочтительным является расчет Ап и Д-2 исходя из установки заданного положения ЭЦИ при сохранении постоянной энергии искаженного отклика (рис. 9). В этом случае при ¿/ = 0.5 |с! тах|=-27 дБ, в то время как при дискретной смене задержки без применения двухточечной модели [с1 тах| = -20.8 дБ (рис. 9а).

В шах I' ДБ -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50

Рс, > ДБ

г/ \ --ЭЦИ

Г ---ЭЦИ (Е^сопф

- -дз

-ю

-20 -30 -40 -50 -60 -70

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

а) б)

Рис. 9. Зависимости |с1 тах (¿/)| (а); Р (¿/) (б) (сплошная линия - случай использования двухточечной модели и управление Ап и А¡2 исходя из установки заданного положения ЭЦИ при сохранении постоянной площади отклика, пунктирная - сохранение постоянной энергии отклика, штрих-пунктирная — дискретное изменения задержки) Видно, что значения |с1 тах| и Рс растут вместе с с/, т.е. с увеличением

шага изменения задержки сигнала А г. При этом за счет применения модели

достигается снижение |с! тах| примерно такое, как за счет уменьшение А г в два раза. Это позволяет уменьшить количество операций по преобразованию инвариантного сигнала в два раза при сохранении |ё] тах| на том уже уровне.

Полученные графические зависимости и табличные данные позволяют для заданного уровня искажений двумерной ФО РСА определить закон управления амплитудами сигналов двухточечной модели и значение <1.

Пятый раздел посвящен экспериментальной проверке полученных результатов и их практическому применению.

Для типовой РЛС произведена численная оценка допустимой неточности задания координат носителя для рабочего диапазона наклонных дальностей и углов визирования поверхности. Показано, что при имитации сигналов от объектов на поверхности земли неточность задания координат может составлять единицы-десятки километров. Это снимает необходимость точно рассчитывать эхосигнал в РМВ под каждую конкретную траекторию полета. Подготовленный заранее инвариантный сигнал преобразуется для текущих скорости и траектории движения носителя при условии полета в расчётном объеме пространства. Таким образом, из РМВ исключается больший объем вычислений, а процесс полунатурной имитации эхосигналов сохраняет гибкость изменения параметров движения носителя РСА.

Приведена структура экспериментального имитатора эхосигналов РСА, описан принцип его работы. На основе полученных результатов и положений разработано программное обеспечение имитатора. Кратко описан алгоритм его работы.

С помощью имитатора произведен ряд полунатурных экспериментов. Представленные результаты показывают, что движение в пределах области допустимой неточности задания координат носителя не приводит к заметным искажениям РЛИ. Также не наблюдается искажений РЛИ в виде появления побочных отметок, обусловленных дискретностью задержки сигнала и «перекачиванием» амплитуд сигналов двухточечной модели. Таким образом, подтверждена справедливость полученных теоретических результатов.

Применение концепции двухэтапной имитации эхосигналов и использование «перекачки» амплитуд отсчетов КО сигнала по дальности позволяет производить порядка 10 операций умножения на один отсчет, что дает возможность формирования радиолокационных отражений от 1000*1000 и более элементов в РМВ.

В заключении перечислены основные результаты работы.

В приложениях представлены вспомогательные материалы, относящиеся ко второму разделу, графики, иллюстрирующие материалы третьего раздела. Приведены акты, подтверждающие внедрение основных результатов работы.

Основные результаты работы

В диссертационной работе решены задачи, относящиеся к имитации эхо-сигналов РСА.

1. Определено влияние на РЛИ отклонения траектории носителя РСА, моделируемой в процессе полунатурного эксперимента от задаваемой при предварительном расчете отсчетов комплексной огибающей эхосигнала согласно концепции двухэтапной имитации эхосигналов. Предложен способ определения границ пространства, в котором допустимо отклонение координат носителя при имитации. Получены соотношения, определяющие границы.

2. Это позволяет осуществлять имитацию в реальном масштабе времени и использовать отсчеты одного и того же сигнала для моделирования полета носителя по различным траекториям и с разной скоростью в пределах означенных границ пространства.

3. Определена связь между уровнем искажений двумерной функции отклика РСА на имитируемый сигнал и шагом его дискретизации по оси задержки.

4. Предложен способ уменьшения искажений ФО РСА путем использования двухточечной модели, когда имитируемый сигнал заменяется совокупностью двух сигналов с разницей задержек, равной шагу дискретизации сигнала по оси задержки. Предложены алгоритмы управления амплитудами сигналов модели.

5. Произведена оценка искажений отклика PJIC в одном периоде зондирования и двумерной ФО РСА на сигнал, формируемый с помощью двухточечной модели. Установлено, что использование модели позволяет снизить уровень дополнительных максимумов двумерной ФО по азимуту. За счет этого можно выбрать больший шаг дискретизации задержки при заданном уровне искажений.

Полученные теоретические результаты имеют практическое применение при построении имитаторов эхосигналов:

1. Обосновано использование заранее рассчитанного инвариантного сигнала. Это позволяет значительно сократить объем вычислений при имитации эхо-сигналов в РМВ, оставляя лишь операции преобразования инвариантного под текущие параметры движения (траектория и скорость) носителя РСА.

2. На основе полученных соотношений для оценки границ пространственной инвариантности сигнала реализован алгоритм его расчета.

3. Получены оценки искажений двумерной ФО РСА, на основании которых можно производить выбор шага дискретизации сигнала по оси задержки под заданный уровень искажений.

4. Разработан алгоритм расчета сигнала с использованием двухточечной модели, позволяющий снизить уровень дополнительных максимумов ФО РСА, обусловленных дискретностью задержки сигнала.

Список публикаций по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК при Минобрнауки России

1. Белоруцкий Р.Ю., Киселев A.B. Требование к точности задания траектории носителя РСА при имитации эхо-сигнала от поверхностно-распределенного объекта// Журнал радиоэлектроники. 2011. №10. 18 с. URL: http ://j re. cplire. ru/j re/oc 111 /1 /tex t.html

2. Белоруцкий Р. Ю., Киселев А. В. Имитация эхосигналов от поверхностно распределенных объектов при высоком разрешении PJIC// Научный вестник НГТУ. 2012. №3. С. 3-16.

3. Белоруцкий Р.Ю. Оценка искажений отклика приемника РЛС на сигнал, формируемый с помощью двухточечной модели// Журнал радиоэлектроники. 2012. №1. 15 с. URL: http://jre.cplire.rU/jre/janl2/5/text.html

Belorutskii R. Y. Estimating distortions of the radar receiver response to a signal generated by a two-point model // Journal of Radio Electronics (JRE). 2012. Vol. l.Is. l.DOI: 10.1615/JRadioElectr.vl.i 1.40

4. Белоруцкий Р.Ю. Алгоритмы управления амплитудами сигналов двухточечной модели в задаче моделирования эхо-сигнала от точечного отражателя// Вопросы радиоэлектроники. Серия Системы отображения информации и управления спецтехникой. 2012. Вып. 4. С. 124-133.

Публикации в материалах конференций и других изданиях

5. Белоруцкий Р.Ю., Киселев A.B., Тырыкин C.B. Два алгоритма формирования эхо-сигналов от сложного радиолокационного объекта// Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы X междунар. конф. Новосибирск, 2010. Т. 4. С. 29-32.

6. Белоруцкий Р. Ю. Методы и средства радиолокационного распознавания (обзор по материалам печати)/ Новосиб. гос. техн. ун-т. - Новосибирск, 2010. -42 е.: ил. - Библиогр.: 10 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ РАН 14.04.2010, № 210-В2010.

7. Белоруцкий Р.Ю. Влияние неточности задания траектории носителя РСА в задачах имитации радиолокационного портрета// Наука. Технологии. Инновации: материалы всерос. науч. конф. молодых ученых. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. Ч. 1. С. 330-332.

8. Белоруцкий Р.Ю., Киселев A.B., Тырыкин C.B. Влияние неточности задания траектории носителя РСА на положение по дальности отметки от точечного объекта при имитации РЛИ/ Новосиб. гос. техн. ун-т. - Новосибирск, 2011. -

96 е.: ил. - 14 Библиогр.: 2 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ РАН 13.01.2011, № 4-В2011.

9. Белоруцкий Р.Ю., Киселев A.B., Тырыкин C.B. Влияние неточности задания траектории носителя РСА на азимутальное положение отметки от точечного объекта при имитации РЛИ/ Новосиб. гос. техн. ун-т. - Новосибирск, 2011. -78 е.: ил. - 21 Библиогр.: 2 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ РАН 27.01.2011, № 25-В2011.

10. Белоруцкий Р.Ю. Оценка смещения отметки от точечного объекта по азимутальной координате в результате неточности задания координат носителя РСА при имитации РЛИ// Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. С. 40—45.

11. Белоруцкий Р. Ю. Оценка ширины отклика приемника РЛС на сигнал, сформированный с помощью двухточечной модели// Наука. Технологии. Инновации (Новосибирск, 2—4 дек. 2011 г.): материалы всерос. науч. конф. молодых ученых. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. Ч. 3. С. 272-276.

12. Белоруцкий Р. Ю. Оценка искажений отклика приемника РЛС на сигнал, формируемый с помощью двухточечной модели// Радиолокация и радиосвязь (Москва, 21-25 нояб., 2011 г.): доклады V всерос. науч.-техн. конф. Москва: ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 2011. С. 37-44.

13. Белоруцкий Р. Ю., Киселев А. В. Влияние дискретности задержки имитируемого эхосигнала на функцию отклика РСА// Радиолокация и радиосвязь (Москва, 19-22 нояб., 2012 г.): доклады VI всерос. науч.-техн. конф. Москва: ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 2012. Т. 1. С. 34-39.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г.Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Тел./факс (383) 346-08-57 Формат 60 х 90/16. Объем 1,75. п.л. Тираж 100 экз. Заказ 2158. Подписано в печать 09.06.2014 г.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новосибирский государственный технический университет

Белоруцкий Роман Юрьевич

Цифровые методы имитации эхосигналов PJIC с синтезированием апертуры антенны

Специальность: 05.12.14 - Радиолокация и радионавигация

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: д.т.н., профессор Киселев A.B.

На правах рукописи

04201460778

Томск-2014

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.........................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................7

1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИМИТАЦИИ ЭХОСИГНАЛОВ РСА.....................18

1.1. Возможности современных РСА................................................................18

1.2. Методы моделирования эхосигналов РСА................................................24

1.2.1. Концепция двухэтапной имитации эхосигналов применительно к РСА........................................................................................30

1.2.2. Дискретность задержки сигнала...........................................................35

1.3. Выводы по разделу 1....................................................................................39

2. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НЕТОЧНОСТИ ЗАДАНИЯ ТРАЕКТОРИИ НОСИТЕЛЯ РЛС ПРИ РАСЧЕТЕ ИМИТИРУЕМОГО СИГНАЛА...................41

1.4. Оценка смещения имитируемого отражателя...........................................42

1.4.1. Оценка смещения имитируемого отражателя по наклонной дальности.............................................................................................................44

1.4.2. Оценка смещения имитируемого отражателя по азимуту.................48

1.4.3. Переход от величины отклонения частоты формируемого сигнала к смещению отметки по азимутальной координате...........................................54

1.5. Предельные соотношения............................................................................58

1.6. Математическое моделирование.................................................................67

1.7. Оценка допустимой неточности задания траектории носителя РЛС на основе полученных соотношений........................................................................70

1.8. Несоответствие скорости движения носителя РЛС..................................71

1.9. Выводы по разделу 2....................................................................................77

3. ИСКАЖЕНИЯ ОТКЛИКА РЛС ПРИ ДИСКРЕТНОЙ УСТАНОВКЕ ЗАДЕРЖКИ ИМИТИРУЕМОГО СИГНАЛА.......................................................79

3.1. Отклик приемника на сигнал, формируемый двухточечной моделью... 82

3.2. Энергия искаженного отклика....................................................................85

3.3. Искажения отклика приемника при двухточечной модели.....................86

3.3.1. Уменьшение максимального значения отклика..................................86

3.3.2. Смещение максимума отклика относительно

задаваемого положения ЭЦИ............................................................................87

3.3.3. Смещение центра тяжести отклика......................................................88

3.3.4. Ширина отклика.....................................................................................90

3.3.5. Отклонение середины сечения отклика

от задаваемого положения ЭЦИ........................................................................96

3.4. Расчет амплитуд сигналов двухточечной модели.....................................98

3.4.1. Расчет для заданного положения центра тяжести результирующего отклика.................................................................................................................98

3.4.2. Расчет для заданного положения середины сечения результирующего отклика.................................................................................98

3.5. Отклики на сигнал от двухточечной модели при формах эталонного отклика, отличных от треугольной....................................................................104

3.5.1. Эталонный отклик, описываемый функцией плотности вероятности нормального закона распределения................................................................105

3.5.2. Эталонный отклик, описываемый функцией вида cos(x)................106

3.5.3. Эталонный отклик, описываемый главным лепестком

функции sin(x)/x................................................................................................106

3.5.4. Формы искаженных откликов при разных видах огибающих эталонного отклика...........................................................................................108

3.5.5. Сравнение искаженных откликов по уменьшению максимального значения.............................................................................................................110

3.5.6. Сравнение искаженных откликов по величине отклонения максимального значения..................................................................................112

3.5.7. Сравнение искаженных откликов по величине отклонения центра тяжести от задаваемого ЭЦИ...........................................................................113

3.5.8. Сравнение искаженных откликов по величине расширения относительно эталонного.................................................................................115

3.6. Выводы по разделу 3..................................................................................118

4. ИСКАЖЕНИЯ ДВУМЕРНОЙ ФУНКЦИИ ОТКЛИКА РСА, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ДИСКРЕТНОСТЬЮ УСТАНОВКИ ЗАДЕРЖКИ ИМИТИРУЕМОГО СИГНАЛА...................................................................

4.1. Функция изменения амплитуды отклика.........................................

4.2. Искажения ФО.....................................................................................

4.3. Оценка искажений ФО в частотной области...................................

4.3.1. Коррекция амплитуды отклика.................................................

4.4. Сравнение ФО.....................................................................................

4.5. Выводы по разделу 4..........................................................................

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ И ИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ.............................................

5.1. Оценка допустимой неточности задания координат носителя

применительно к РЛС с типовыми характеристиками......................

5.2. Технические средства формирования сигнала..........................

5.3. ПО формирования сигнала..........................................................

5.3.1. Алгоритм расчета инвариантного сигнала..........................

5.3.2. Формирование сигнала в реальном масштабе времени.....

5.4. Результаты полунатурного эксперимента..................................

5.5. Выводы по разделу 5....................................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ 1......................................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ 2......................................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ 3......................................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ 4......................................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ 5......................................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ 6......................................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ 7......................................................................................

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БПФ - быстрое преобразование Фурье

БС - быстрая свертка

ГА - гармонический анализ

ДНА - диаграмма направленности антенны

ДЗ - дискретное изменение задержки

ДОЛ - доплеровское обужение луча

ДПФ - дискретное преобразование Фурье

ИЗП - импульс запуска передатчика

КО - комплексная огибающая

ЛА - летательный аппарат

ЛП - линия пути

ЛРД - линия равных дальностей

ОБПФ - обратное быстрое преобразование Фурье

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство

ОФ - опорная функция

ПБО - переднебоковой обзор

ПК - персональный компьютер

ПО - программное обеспечение

ПС - прямая свертка

ПЧ - промежуточная частота

РЛИ - радиолокационное изображение

РЛС - радиолокационная станция

РМВ - реальный масштаб времени

РСА - радиолокационная станция с синтезированной апертурой антенны СА - синтезированная апертура СВР - сверхвысокое разрешение СС - середина сечения ТС - траекторный сигнал

ФКМ - фазокодовая модуляция

ФНЧ - фильтр нижних частот

ФО - функция отклика

ФЦА - фазовый центр антенны

ЦТ - центр тяжести

ЧПИ - частота повторения импульсов

ЭВМ - электронно-вычислительная машина

ЭПР - эффективная площадь рассеяния

ЭЦИ - эквивалентный центр излучения

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

При создании радиолокационных станций (РЛС) находят широкое применение имитаторы эхосигналов [1-3]. Имитаторы позволяют организовывать на входе РЛС или отдельных её узлов сигналы, соответствующие реальной радиолокационной обстановке. За счет этого удается проверять характеристики и контролировать функционирование РЛС в лабораторных условиях, тем самым существенно сократить временные и материальные затраты, отложив проведение полноценных натурных испытаний на поздние этапы разработки [4-11].

Особую сложность имеет задача имитации эхосигналов РЛС с синтезированием апертуры антенны (РСА). Высокая разрешающая способность РСА определяет большой объем информации, которую несет эхосигнал, отраженный от поверхности земли. Его имитация требует воспроизведения законов изменения фазы и задержки эхосигналов от множества отдельных элементов поверхности с точностью до единиц градусов и долей элемента разрешения РСА по дальности, соответственно [12-29]. Как правило, эхосигнал формируется по следующей цепочке: отсчеты его комплексной огибающей (КО) получают в цифровом виде, далее они подаются на ЦАП, полученный сигнал переносится на рабочую частоту РЛС [4, 8]. Основную сложность при этом составляет расчет отсчетов КО. Для формирования эхосигналов с упомянутой точностью в реальном масштабе времени (РМВ) необходима огромная производительность вычислительных средств [8-9, 30-33]. Это породило множество методов имитации, реализующих различные подходы к снижению объемов вычислений [4, 2956]. Всех их принципиально можно разделить на использующие заранее подготовленный сигнал [4, 27, 34-35, 41, 44-52] и рассчитывающие его непосредственно в РМВ [8-9]. Использование первого варианта ограничивается тем, что необходимо заранее точно знать траекторию моделируемого полета носителя РСА, направление луча ДНА, параметры зондирующего сигнала и другие характеристики РЛС, что на практике не всегда возможно. Второй требует огром-

ных вычислительных ресурсов (как отмечается в [33], для имитации 109 -ИО10 элементов поверхности необходимо производить порядка 1,4 • 1014 ^1,4 • 1019 арифметических операций в секунду) или значительного сокращения числа элементов.

Компромиссным вариантом является концепция двухэтапной имитации эхосигналов, когда заранее на первом этапе подготавливается так называемый инвариантный сигнал [55-56]. Для РСА он фактически представляет собой отсчеты КО эхосигнала от заданного участка поверхности (включающего / элементов - отражателей), рассчитанные для некоторой заданной траектории движения носителя РЛС, из которых устранен набег фазы и задержка, соответствующие сигналу от центральной {опорной) точки (отражателя) участка. На втором этапе в РМВ осуществляется его преобразование в имитируемый эхо-сигнал, для этого уже согласно текущим условиям эксперимента ему вновь устанавливается фаза и задержка, и вместе с этим корректируется ширина до-плеровского спектра. Операция преобразования требует существенно меньшего объема вычислений, чем непосредственный расчет отсчетов КО сигнала в РМВ: порядка 8-10 операций умножения на отсчет по дальности, на выполнение которых при формировании эхосигнала из 1024 отсчетов при частоте повторения зондирующих импульсов 1 кГц отводится порядка 1 мкс, что осуществимо при использовании типового ПК. Остается нерешенным вопрос, в какой мере могут быть отклонены параметры движения (траектория и скорость) носителя в процессе полунатурного эксперимента, чтобы это не привело к заметным искажениям РЛИ РСА. Известные исследования не дают ответа на этот вопрос. Анализируя влияние траекторных нестабильностей при синтезировании апертуры на качество радиолокационного изображения (РЛИ) РСА, там решается принципиально иная задача [12-13, 15, 18].

Дальнейшее сокращение вычислительных затрат на имитацию эхосигналов в РМВ связано с решением другого вопроса. Очевидно, что количество операций по расчету сигнала пропорционально количеству отсчетов его КО,

приходящихся на один элемент разрешения РСА по дальности. Традиционно используется два отсчета [8, 13], однако дискретная структура сигнала может явиться причиной искажений РЛИ, которые тем сильнее, чем грубее выбирается шаг дискретизации сигнала по оси задержки. Для выбора значения шага необходимо с одной стороны определить его взаимосвязь с уровнем искажений РЛИ, с другой - разработать меры по их снижению.

Оба вышеозначенных вопроса составляют проблематику, решению которой посвящена настоящая работа.

Цель работы: обосновать возможность имитации эхосигналов РСА, используя подготовленный заранее инвариантный сигнал при априорно неточно известных траектории и скорости движения носителя, и разработать меры по снижению вычислительных затрат на его преобразование в отсчеты комплексной огибающей имитируемого эхосигнала.

Для достижения цели решены следующие основные задачи:

1. Установлена зависимость между искажением геометрии РЛИ по координатам наклонной и путевой дальности и отклонением траектории носителя РСА от заданной при формировании инвариантного сигнала.

2. Получены соотношения для определения границ пространства, при моделировании полета в пределах которых применим инвариантный сигнал.

3. Установлена связь между искажениями функции отклика (ФО) РСА и шагом дискретизации сигнала по оси задержки.

4. Предложены меры по снижению уровня искажений ФО вдоль азимутальной оси при грубой дискретизации сигнала по оси задержки.

5. Произведена экспериментальная проверка полученных теоретических результатов и разработаны рекомендации по построению программно-аппаратных комплексов имитации эхосигналов на их основе.

Методы исследования. При проведении исследований были использованы: теория цифровой обработки сигналов, методы математического анализа, цифрового моделирования и теория радиолокации.

Достоверность и обоснованность теоретических результатов обеспечивается экспериментальными данными, строгостью применяемого математического аппарата, а также результатами математического моделирования на ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту

1. При имитации эхосигналов РСА на основе заранее подготовленных отсчетов комплексной огибающей точная установка текущей фазы и задержки сигнала для элемента в центре картографируемого участка поверхности, а также ширины доплеровского спектра, позволяет моделировать движение носителя с параметрами, существенно отличающимися от тех, для которых рассчитаны отсчеты.

2. Дискретное изменение задержки имитируемого эхосигнала приводит к искажениям функции отклика (ФО) РСА, состоящим в появлении дополнительных максимумов вдоль азимутальной оси и изменении её формы в сечении по дальности.

3. Уровень дополнительных максимумов ФО РСА, обусловленных дискретной задержкой сигнала, можно снизить за счет замещения каждого из отражающих элементов поверхности двухточечной моделью. Эффект от применения двухточечной модели эквивалентен уменьшению шага дискретизации комплексной огибающей имитируемого сигнала приблизительно в два раза.

Научная новизна работы

1. Установлена связь между искажением РЛИ и отклонением моделируемой траектории носителя РСА от задаваемой при предварительной подготовке отсчетов КО имитируемого сигнала. На этой основе определены границы пространства, в пределах которых возможно отклонение траектории.

2. Установлена связь между величиной шага дискретизации имитируемого сигнала по оси задержки и искажениями функции отклика РСА.

3. Предложен способ снижения уровня искажений ФО РСА, обусловленных дискретностью задержки сигнала, путем формирования последнего с помощью двухточечной модели, образованной сигналами, смещенными друг относительно друга на шаг дискретизации задержки.

Практическая ценность работы

Полученные результаты применимы при создании имитаторов эхосигна-

лов.

1. Получены соотношения, позволяющие определить границы пространства, в пределах которого моделируемая траектория носителя РСА может быть отклонена от заданной при расчете отсчетов инвариантного сигнала.

2. Получены оценки искажений функции отклика РСА, позволяющие под их заданный уровень выбрать значение шага дискретизации задержки имитируемого эхосигнала.

3. Разработан способ снижения уровня искажения функции отклика РСА путем замены сигнала, задержка которого меняется дискретно, сигналом от двухточечной модели, образованной сигналами смещенными друг относительно друга на шаг дискретизации задержки.

4. Разработаны рекомендации по синтезу имитаторов эхосигналов.

Личный вклад автора

Все выносимые на защиту результаты получены автором лично. Из 13 опубликованных работ 6 написаны в соавторстве. В работах, опубликованных в соавторстве, результаты, относящиеся к тематике работы, получены автором.

Апробация работы

Основные положения работы публиковались в материалах конференций:

1. 10-я международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения 2010». - Новосибирск, НГТУ, 22-24 сентября 2010 г.

2. Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации». - Новосибирск, НГТУ, 3-5 декабря 2010 г.

3. Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации». - Новосибирск, НГТУ, 2-4 декабря 2011 г.

4. Современные проблемы радиоэлектроники. - Красноярск, Сиб. федер. унт, 2011 г.

5. 5-я всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь