СПЕКТРАЛЬНЫЙ ОБНАРУЖИТЕЛЬ МНОГОЧАСТОТНЫХ ПСЕВДОШУМОВЫХ СИГНАЛОВ

Предлагаемая модель обнаружителя относится к области радиотехники и предназначена для квазиоптимальной обработки многочастотных псевдошумовых сигналов при обнаружении; может быть использована в радиолокационных системах обнаружения и сопровождения воздушных целей.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является увеличение вероятности правильного обнаружения многочастотного псевдошумового сигнала и расширение функциональных возможностей прототипа, то есть обеспечение измерения доплеровского смещения частоты входного сигнала.
Из существующего уровня техники известен фильтровой не следящий многоканальный измеритель [1], каждый канал которого содержит последовательно соединенные согласованный фильтр и детектор, выходы каналов объединены решающим устройством. Недостатком данного устройства является невысокая эффективность обнаружения, а также сложность реализации многоканальной обработки.
Известно радиолокационное устройство для обнаружения движущейся цели [2], содержащее последовательно включенные блоки задержки, умножитель комплексных чисел и вычитатель. Недостатком данного устройства являться низкая точность и неоднозначность измерения параметров сигнала.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является Устройство квазиоптимальной обработки многочастотного псевдошумового сигнала [3]. Недостатком прототипа является не достаточно высокая эффективность обнаружения многочастотного псевдошумового сигнала, так как отсутствует информация о доплеровском смещении частоты входного сигнала.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известное устройство квазиоптимальной обработки многочастотного псевдошумового сигнала, содержащее N полосовых фильтров, N смесителей, N усилителей, N фазовращателей, N-входовый сумматор, L перемножителей, L интеграторов, L-входовый коммутатор, счетчик, многочастотный гетеродин, 1-й делитель частоты, генератор узкополосного шума, многоотводную линию задержки, генератор тактовых импульсов, 2-й делитель частоты, при этом входом устройства являются объединенные входы с 1-го по N-го полосовых фильтров, выходы которых соединены с первыми входами соответственно с 1-го по N-й смесителей, выходы которых соединены со входами соответственно с 1-го по N-го усилителей, выходы которых соединены со входами соответственно с 1-го по N-го фазовращателей, выходы которых соединены соответственно с 1-го по N-го входами N-входового сумматора, выход которого соединен входами с 1-го по L-й перемножителя, выходы которых соединены со входами соответственно с 1-го по L-й интеграторы, выходы которых соединены с аналоговыми входами L+1-входового аналогового мультиплексора, а цифровой вход которого соединен с выходом счетчика, вход которого соединен с выходом 1-го делителя частоты, вход которого соединен со выходом генератора тактовых импульсов и входом генератора узкополосного случайного процесса и входом 2-го делителя частоты, выход которого соединен со входом многочастотного гетеродина, выходы с 1-го по N-й которого соединены со вторыми входами соответственно с 1-го по N-й смесителя, кроме того с 1-го по L-й выходы многоотводной линии задержки соединены со вторыми входами соответственно с 1-го по L-й перемножителей, при этом выход аналогового мультиплексора является выходом устройства, дополнительно введен канал спектрального обнаружения в составе N+1-го смесителя, N+1-го полосового фильтра, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), блока быстрого преобразования Фурье (БПФ), цифрового согласованного фильтра (СФ), цифрового анализатора, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и гетеродина промежуточной частоты, при этом 1-й вход N+1-го смесителя соединен с входом устройства, 2-й вход N+1-го смесителя соединен с выходом гетеродина промежуточной частоты, выход N+1-го смесителя соединен с входом N+1-го полосового фильтра, выход которого соединен с с входом АЦП, выход которого соединен с входом блока БПФ, выход которого соединен с входом цифрового СФ, выход которого соединен с входом цифрового анализатора, выход которого соединен с входом ЦАП, выход которого соединен с 2-м входом 2-го делителя частоты и L+1-м аналоговым входом L+1-входового аналогового мультиплексора, выход 2-го делителя частоты соединен с входом многочастотного гетеродина, выходы с 1-го по N-й которого соединены с вторыми входами соответственно с 1-го по N-й смесителя, выход аналогового мультиплексора является выходом устройства.
Данное устройство при условиях, имеющих место на практике, позволяет достичь следующего технического эффекта: увеличить вероятность правильного обнаружения многочастотного псевдошумового сигнала на 1,23 дБ и измерять его доплеровское смещение частоты.
Достигаемый технический результат - повышение показателей качества обнаружения многочастотного псевдошумового сигнала.
Технический эффект в предлагаемом устройстве достигается за счет введения N+1-го смесителя, N+1-го полосового фильтра, АЦП, блока БПФ, цифрового СФ, цифрового анализатора, ЦАП и гетеродина промежуточной частоты, что позволяет до этапа обнаружения устройством квазиоптимальной обработки во временной области обнаруживать многочастотный псевдошумовой сигнал в частотной области и корректировать смещение частотных составляющих входного многочастотного псевдошумового сигнала за счет измерения его доплеровского смещения частоты.
Реализация предлагаемой полезной модели не требует конструктивных изменений в аппаратуре существующих радиолокационных станций и сводится к введению в их состав дополнительного устройства - спектрального обнаружителя многочастотных псевдошумовых сигналов.
Структурная схема разработанного устройства приведена на фиг. 1. В состав спектрального обнаружителя многочастотных псевдоигумовых сигналов входит N+1 полосовых фильтров - 1, 9, 16, 29; N+1 смесителей - 2, 10, 17, 28; N усилителей - 3, 11, 18; N фазовращателей - 4, 12, 19; N-входовый сумматор - 5; L перемножителей - 6, 13, 20; L интеграторов - 7, 14, 21; L+1-входовый коммутатор - 8; счетчик - 15; многочастотный гетеродин - 22; генератор тактовых импульсов - 26; 1-й делитель частоты - 27; генератор узкополосного шума - 24; многоотводную линию задержки - 25; 2-й делитель частоты - 23; АЦП - 30; блок БПФ - 31; цифровой СФ - 32; цифровой анализатор - 33; ЦАП - 34; гетеродин промежуточной частоты - 35.
Принцип работы обнаружителя заключается в обнаружении-измерении доплеровского смещения частоты в частотной области для корректировки смещения частотных составляющих многочастотного псевдошумового сигнала в каналах квазиоптимального обнаружения во временной области.
Если представить узкополосный случайный процесс в виде последовательности псевдослучайных значений амплитуд, то псевдошумовой сигнал можно представить в виде
ПСП
где U(t) узкополосный шум, полученный на выходе полосового фильтра при подаче на его вход псевдослучайной последовательности чисел (ПСП);
0
ƒ несущая частота ПСП.
ПШ
Тогда многочастотный псевдошумовой (МЧ ПШ) сигнал можно получить путем перемножения узкополосного сигнала U(t) и экспоненциальной функции  [4]:
ф
где М - индекс модуляции;
m
F - частота однотональной фазовой модуляции.
Применяя формулу Якоби-Айгера к выражению (1) имеем:
n
ϕ
где J(M) - функция Бесселя 1-го рода n-го порядка.
Спектр МЧ ПШ сигнала:
ПСПm
где Δt - интервал дискретизации; u - отсчеты ПСП; k - число отсчетов сигнала.
m
n
ϕ
Таким образом, спектр МЧ ПШ сигнала представляет собой сумму удвоенных копий спектра используемой ПСП, разнесенных между собой на величину F и взвешенных по значению функции Бесселя J(M). Амплитудно-частотный спектр МЧ ПШ сигнала представлен на фигуре 2, а.
n
ϕ
ϕ
ξ
n
ϕ
Ширина полосы частот МЧ ПШ сигнала во многом зависит от значений функции Бесселя J(M). Данные значения зависят от аргумента M и порядка n, при котором |J(M)|<ξ, где ξ - некоторый порог. Данный порог соответствует уровню значений модуля функции Бесселя, при которых спектральными составляющими можно пренебречь. Для МЧ ПШ сигнала
ПСП
где F - ширина полосы спектра ПСП.
Для функции Бесселя справедлива следующая аппроксимация:
ξ
ϕ
n=M+1.
Тогда:
ϕ
ϕ
Если провести анализ выражения (3), то можно сделать вывод, что на вид спектра МЧ ПШ сигнала значительно влияет функция Бесселя. На фигуре 3, а, в представлены диаграммы функций Бесселя для М=3, M=6 соответственно. Если произвести свертку данных значений по оси порядка функции Бесселя, то получается эффект сжатия (фиг. 3, б, г), при этом наблюдается выделение единственного максимума для n=0, что соответствует центральной (несущей) частоте сигнала. Таким образом, используя свойства функции Бесселя и МЧ ПШ сигнала, можно за счет свертки спектра принятого сигнала производить его обнаружение и измерять доплеровское смещение по частоте.
г
пр
Входной сигнал обнаружителя в смесителе 28 за счет сигнала частоты ƒ гетеродина 35 смещается на промежуточную частоту ƒ для возможности оцифровки принятого сигнала в АЦП 30. На выходе АЦП 30 получается последовательность отсчетов принятого многочастотного псевдошумового сигнала на промежуточной частоте, которая поступает в блок БПФ 31. Результат работы БПФ, в виде амплитудно-частотного спектра, представлен на фиг. 2, б. Временное окно работы БПФ должно перекрывать весь диапазон измерения времени задержки сигнала для предотвращения искажения спектра. В цифровом СФ 32 с импульсной характеристикой, в виде масштабной копии спектра МЧ ПШ сигнала, осуществляется оптимальная обработка спектра (фиг. 2, в).
Цифровой анализатор решает ряд функций:
1) Производит сохранение полученного вектора отсчетов с выхода цифрового СФ;
2) Определяет значение и номер максимального элемента данного вектора;
3) Проверяет условие превышения порога данного значения. Расчет величины порога осуществляется в соответствии с известной теорией обнаружения сигналов [5, стр. 23];
4) В случае превышения - по номеру максимального отсчета формирует код, пропорциональный значению доплеровскому смещению частоты.
Расчет доплеровского смещения частоты в цифровом анализаторе осуществляется в соответствии с выражением:
где Δƒ - дискрет частоты;
max
N - номер максимального отсчета на выходе цифрового СФ;
ЦСФ
N - число отсчетов импульсной характеристики цифрового СФ;
- значение промежуточной частоты на выходе смесителя 28;
- частота дискретизации сигнала;
БПФ
N - число точек БПФ.
лт
-5
Код доплеровского смещения частоты поступает на ЦАП 34, на выходе которого формируется соответствующее напряжение, которое подается на аналоговый мультиплексор и на управляющий вход 2-го делителя частоты 23, что позволяет корректировать частоты в каналах многочастотного гетеродина 22. Квазиоптимальная обработка МЧ ПШ сигнала во временной области производится согласно описания [3]. Для оценки показателей качества обнаружения прототипа и спектрального обнаружителя проведен вычислительный эксперимент в пакете прикладных программ MATLAB, получены зависимости вероятности правильного обнаружения сигнала D(q) от отношения сигнал/шум для вероятности ложной тревоги F равной 10 (фиг. 4). На данной фигуре сплошная линия - вероятность правильного обнаружения прототипом, штриховая - вероятность правильного обнаружения предлагаемой полезной модели. Для вероятности правильного обнаружения 0,9 отношение сигнал/шум на выходе прототипа составляет 7,67, для предлагаемой полезной модели - 5,78. Таким образом предлагаемая полезная модель обеспечивает обнаружение МЧ ПШ сигналов при меньшем отношении сигнал/шум (10*log(7,67 / 5,78) ≈ 1,23 дБ).
Повышение показателей качества обнаружения на 1,23 дБ достигается за счет корректировки доплеровского смещения частоты для каждой частотной составляющей МЧ ПШ сигнала в многочастотном гетеродине 22. В соответствии с известным выражением [6 стр. 52], доплеровское смещение частоты:
0
r
m
где ƒ - несущая (центральная) частота; υ - радиальная скорость цели; с - скорость света. Однако, для МЧ ПШ сигнала частота однотональной фазовой модуляции F может принимать достаточно большие значения, тогда каждая спектральная составляющая сместится на свою частоту Доплера:
Д0
Дn
где n - порядок функции Бесселя, F - составляющая доплеровского смещения несущей частоты, F - составляющие доплеровского смещения частотных составляющих МЧ ПШ сигнала.
Учет данных величин позволяет повысить показатели качества обнаружения сигналов прототипом.
Таким образом, разработана полезная модель спектрального обнаружителя МЧ ПШ сигналов, позволяющая при условиях, имеющих место на практике, достичь технического эффекта: увеличить вероятность правильного обнаружения многочастотного псевдошумового сигнала на 1,23 дБ и измерять его доплеровское смещение частоты.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ширман Я.Д. и Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. Москва. Радио и связь. -1981.-204 с. - Рис. 14.2.
2. Патент N 63-49193 (Япония), МКИ G 01 S 13/52. Радиолокационное устройство для обнаружения движущейся цели / К.К. Тосиба. Опубл. 03.10.1988 - Изобретения стран мира - 1989. - выпуск 109. - N 15. - 52 с.
3. Патент на полезную модель №194735U1 «Устройство квазиоптимальной обработки многочастотного псевдошумового сигнала».
4. «Аналитическое описание метода формирования многочастотного квазишумового сигнала», сборник «Наукоемкие технологии», том 17 выпуск №12, стр. 17-21, Череповецкое ВВУ 2016 г., Зюзин А.В., Хайбутов М.Е., Кострыкин П.А., Войнов Д.С.
5. Шахтарин Б.И. Обнаружение сигналов. Учебное пособие для вузов. - 3-е изд., испр. - М.: Горячая линия - Телеком, 2018. - 464 с: ил.
6. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для вузов. М., изд-во «Советское радио», 1970, стр. 560.