ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ЛЧМ-СИГНАЛОВ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ
DIGITAL DEVICE FOR ESTIMATING PARAMETERS OF CHIRP SIGNALS OF RADAR STATION

Изобретение относится к радиолокационной технике. Предназначено для идентификации параметров модели ЛЧМ-сигналов в дискретные моменты времени. Может быть использовано в радиолокационных станциях для обнаружения, наведения и сопровождения цели.
Известно устройство оценивания состояния дискретных систем, в основе которого лежит классический фильтр Калмана [1]. Его эффективное функционирование возможно в случае известных законов распределения внешних воздействий, что является существенным недостатком.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является устройство идентификации параметров динамических систем на основе вариационных принципов [2], которое отличается от фильтра Калмана объемом вычислительных затрат и точностью. При этом наиболее близкое по технической сущности устройство применимо только для непрерывных динамических систем. Однако современные формирователи зондирующих ЛЧМ-сигналов строятся на основе полупроводниковой высокочастотной техники с использованием цифровых методов изменения параметров сигналов, поэтому необходима разработка дискретного алгоритма идентификации [3] и реализующее его работу устройство.
Цель изобретения - повышение чувствительности приемного устройства радиолокационной станции за счет повышения точности идентификации параметров зондирующего сигнала, который в последующем будет использоваться как опорный при корреляционном приеме [4].
Указанный технический результат достигается за счет применения дискретного алгоритма идентификации [3], который практически реализуем с использованием электронных вычислительных машин. Цифровое устройство оценки параметров ЛЧМ-сигналов радиолокационной станции содержит следующие блоки:
0.1 - первый блок формирования функции оцениваемых параметров,
0.2 - второй блок формирования функции ковариационной матрицы,
0.3 - третий блок формирования функции матрицы чувствительности,
0.4 - четвертый блок формирования функции оценки значений сигнала,
1.1 - первый блок формирования суммы,
1.2 - второй блок формирования суммы,
1.3 - третий блок формирования суммы,
1.4 - четвертый блок формирования суммы,
1.5 - пятый блок формирования суммы,
1.6 - шестой блок формирования суммы,
2.1 - первый блок формирования разности,
2.2 - второй блок формирования разности,
2.3 - третий блок формирования разности,
2.4 - четвертый блок формирования разности,
2.5 - пятый блок формирования разности,
2.6 - шестой блок формирования разности,
2.7 - седьмой блок формирования разности,
2.8 - восьмой блок формирования разности,
2.9 - девятый блок формирования разности,
2.10 - десятый блок формирования разности,
2.11 - одиннадцатый блок формирования разности,
3.1 - первый блок произведения,
3.2 - второй блок произведения,
3.3 - третий блок произведения,
3.4 - четвертый блок произведения,
3.5 - пятый блок произведения,
3.6 - шестой блок произведения,
3.7 - седьмой блок произведения,
3.8 - восьмой блок произведения,
3.9 - девятый блок произведения,
3.10 - десятый блок произведения,
3.11 - одиннадцатый блок произведения,
3.12 - двенадцатый блок произведения,
3.13 - тринадцатый блок произведения,
3.14 - четырнадцатый блок произведения,
3.15 - пятнадцатый блок произведения,
3.16 - шестнадцатый блок произведения,
3.17 - семнадцатый блок произведения,
3.18 - восемнадцатый блок произведения,
3.19 - девятнадцатый блок произведения,
3.20 - двадцатый блок произведения,
3.21 - двадцать первый блок произведения,
4.1 - первый блок деления,
4.2 - второй блок деления,
4.3 - третий блок деления,
4.4 - четвертый блок деления,
4.5 - пятый блок деления,
4.6 - шестой блок деления,
4.7 - седьмой блок деления,
5.1 - первый блок возведения в квадрат,
5.2 - второй блок возведения в квадрат,
5.3 - третий блок возведения в квадрат,
5.4 - четвертый блок возведения в квадрат,
5.5 - пятый блок возведения в квадрат,
5.6 - шестой блок возведения в квадрат,
5.7 - седьмой блок возведения в квадрат,
6.1 - первый блок возведения в степень (-1),
6.2 - второй блок возведения в степень (-1),
6.3 - третий блок возведения в степень (-1),
6.4 - четвертый блок возведения в степень (-1),
6.5 - пятый блок возведения в степень (-1),
7 - блок формирования sin,
8.1 - блок формирования оцениваемых параметров,
8.2 - блок формирования ковариационной матрицы,
8.3 - блок формирования матрицы чувствительности,
8.4 - блок формирования оценки значений сигнала,
9 - блок формирования системы идентификации параметров сигнала.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где представлено цифровое устройство оценки параметров ЛЧМ-сигналов радиолокационной станции. Входы блоков 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 являются входами устройства, выходы блоков 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 соединены с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока 9 соответственно; выход блока 9 является выходом устройства.
На фиг. 2 представлен блок формирования оцениваемых параметров 8.1. При этом первый выход блока 0.1 соединен с первым входом блока 1.1, второй выход блока 0.1 соединен с первым входом блока 3.1, третий выход блока 0.1 соединен со вторым входом блока 3.1, четвертый выход блока 0.1 соединен с первым входом блока 6.1, выход которого соединен с третьим входом блока 3.1, выход которого соединен с первым входом блока 3.3, пятый выход блока 0.1 соединен с первым входом блока 2.1, шестой выход блока 0.1 соединен со вторым входом блока 2.1, выход которого соединен с первым входом блока 3.2, седьмой выход блока 0.1 соединен со вторым входом блока 3.2, выход которого соединен со вторым входом блока 3.3, выход которого соединен со вторым входом блока 1.1, выход которого является выходом блока 8.1.
На фиг. 3 представлен блок формирования ковариационной матрицы 8.2. При этом первый выход блока 0.2 соединен с первым входом блока 1.2, второй выход блока 0.2 соединен с первым входом блока 6.2, выход которого соединен с первым входом блока 3.4, третий выход блока 0.2 соединен со вторым входом блока 3.4, выход которого соединен со вторым входом блока 1.2, выход которого соединен с первым входом блока 1.3, четвертый выход блока 0.2 соединен с первым входом блока 5.1, выход которого соединен с первым входом блока 3.5, пятый выход блока 0.2 соединен с первым входом блока 5.2, выход которого соединен со вторым входом блока 3.5, шестой выход блока 0.2 соединен с первым входом блока 6.3, выход которого соединен с третьим входом блока 3.5, седьмой выход блока 0.2 соединен с четвертым входом блока 3.5, выход которого соединен со вторым входом блока 1.3, выход которого является выходом блока 8.2.
На фиг. 4 представлен блок формирования матрицы чувствительности 8.3. При этом первый выход блока 0.3 соединен с первым входом блока 3.7, второй выход блока 0.3 соединен с первым входом блока 2.2, третий выход блока 0.3 соединен с первым входом блока 4.1, четвертый выход блока 0.3 соединен со вторым входом блока 4.1, выход которого соединен с первым входом блока 3.6, пятый выход блока 0.3 соединен со вторым входом блока 3.6, выход которого соединен со вторым входом блока 2.2, выход которого соединен со вторым входом блока 3.7, выход которого соединен с первым входом блока 2.5, шестой выход блока 0.3 соединен с первым входом блока 3.10, седьмой выход блока 0.3 соединен с первым входом блока 2.3, восьмой выход блока 0.3 соединен с первым входом блока 4.2, девятый выход блока 0.3 соединен со вторым входом блока 4.2, выход которого соединен с первым входом блока 3.8, десятый выход блока 0.3 соединен со вторым входом блока 3.8, выход которого соединен со вторым входом блока 2.3, выход которого соединен с первым входом блока 1.4, одиннадцатый выход блока 0.3 соединен с первым входом блока 4.3, двенадцатый выход блока 0.3 соединен со вторым входом блока 4.3, выход которого соединен с первым входом блока 3.9, тринадцатый выход блока 0.3 соединен с первым входом блока 5.3, выход которого соединен со вторым входом блока 3.9, выход которого соединен со вторым входом блока 1.4, выход которого соединен со вторым входом блока 3.10, выход которого соединен со вторым входом блока 2.4, четырнадцатый выход блока 0.3 соединен с первым входом блока 3.11, пятнадцатый выход блока 0.3 соединен с первым входом блока 5.4, выход которого соединен со вторым входом блока 3.11, выход которого соединен с первым входом блока 2.4, выход которого соединен со вторым входом блока 2.5, выход которого является выходом блока 8.3.
На фиг. 5 представлен блок формирования оценки значений сигнала 8.4. При этом первый выход блока 0.4 соединен с первым входом блока 3.12, второй выход блока 0.4 соединен со вторым входом блока 3.12, выход которого соединен с первым входом блока 3.14, третий выход блока 0.4 соединен с первым входом блока 2.6, четвертый выход блока 0.4 соединен с первым входом блока 4.4, пятый выход блока 0.4 соединен со вторым входом блока 4.4, выход которого соединен с первым входом блока 3.13, шестой выход блока 0.4 соединен со вторым входом блока 3.13, выход которого соединен со вторым входом блока 2.6, выход которого соединен со вторым входом блока 3.14, выход которого соединен с первым входом блока 2.8, седьмой выход блока 0.4 соединен с первым входом блока 2.7, восьмой выход блока 0.4 соединен с первым входом блока 4.5, девятый выход блока 0.4 соединен со вторым входом блока 4.5, выход которого соединен с первым входом блока 3.15, десятый выход блока 0.4 соединен со вторым входом блока 3.15, выход которого соединен с первым входом блока 1.5, одиннадцатый выход блока 0.4 соединен с первым входом блока 4.6, двенадцатый выход блока 0.4 соединен со вторым входом блока 4.6, выход которого соединен с первым входом блока 3.16, тринадцатый выход блока 0.4 соединен с первым входом блока 5.5, выход которого соединен со вторым входом блока 3.16, выход которого соединен со вторым входом блока 1.5, выход которого соединен со вторым входом блока 2.7, выход которого соединен со вторым входом блока 2.8, выход которого соединен с первым входом блока 1.6, четырнадцатый выход блока 0.4 соединен с первым входом блока 4.7, пятнадцатый выход блока 0.4 соединен со вторым входом блока 4.7, выход которого соединен с первым входом блока 3.17, шестнадцатый выход блока 0.4 соединен с первым входом блока 7, семнадцатый выход блока 0.4 соединен с первым входом блока 2.9, восемнадцатый выход блока 0.4 соединен со вторым входом блока 2.9, выход которого соединен со вторым входом блока 7, выход которого соединен со вторым входом блока 3.17, выход которого соединен с первым входом блока 3.18, девятнадцатый выход блока 0.4 соединен с первым входом блока 5.6, выход которого соединен со вторым входом блока 3.18, выход которого соединен с первым входом блока 2.11, двадцатый выход блока 0.4 соединен с первым входом блока 6.4, выход которого соединен с первым входом блока 3.19, двадцать первый выход блока 0.4 соединен с первым входом блока 6.5, выход которого соединен со вторым входом блока 3.19, выход которого соединен с первым входом блока 3.20, двадцать второй выход блока 0.4 соединен с первым входом блока 2.10, двадцать третий выход блока 0.4 соединен со вторым входом блока 2.10, выход которого соединен со вторым входом блока 3.20, выход которого соединен с первым входом блока 3.21, двадцать четвертый выход блока 0.4 соединен с первым входом блока 5.7, выход которого соединен со вторым входом блока 3.21, выход которого соединен со вторым входом блока 2.11, выход которого соединен со вторым входом блока 1.6, выход которого является выходом блока 8.4.
Пояснить работу устройства позволяет следующий пример. Рассмотрим задачу идентификации параметров сигнала, описываемого дифференциальным уравнением второго порядка вида
где x - значение сигнала в момент времени t,
- скорость сигнала в момент времени t,
- ускорение сигнала в момент времени t,
a
m, , d - известные параметры, значения которых могут быть заданы заказчиком,
sin(t) - синус сигнала в момент времени t,
b - идентифицируемый параметр сигнала, t∈[0, 500].
Уравнение наблюдения сигнала имеет вид
где H(x) - непрерывная от x функция,
n - белый гауссовский шум с известными параметрами.
Динамика идентифицируемого параметра b описывается уравнением
где η - динамика параметра b
Требуется идентифицировать параметр b при условии минимума целевого функционала
где Т - конечное время, Т=500,
Т - знак транспортирования,
∧
- знак оценки величины,
N - матрица односторонней спектральной плотности шума наблюдения.
i+1
i
i
i
i
i
-1
Для решения поставленной задачи (1)-(4) целесообразно использовать разработанный в [3] алгоритм, который с применением к нему аппроксимации по методу Эйлера примет следующий дискретный вид b=b+PGN(y-H)Δt, Δt=0.1
где P - ковариационная матрица размера m×m,
G - матрица чувствительности системы (1) по вектору параметров b,
α - параметр регуляризации,
µ - неопределенный множитель Лагранжа,
I - единичная матрица [3],
Δt - шаг дискретизации,
i - шаг.
i
i-1
i
i
i-1
i
i
i
i-1
i+1
i
i
i
i
i
-1
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии i на входы блоков 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 (фиг. 1) поступают начальные данные b, b, P, G, G, N, µ, y, H, Δt, α, m, d, x, x, на выходе блоков формируются выражения b=b+PGN(y-H)Δt,  соответственно и поступают на первый, второй, третий и четвертый входы блока 9 соответственно, на выходе блока 9 формируется система идентификации параметров сигнала на i+1 момент времени
i+1
i
i
i
i
i
-1
b=b+PGN(y-H)Δt,
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i+1
-1
-1
-1
С первого выхода блока 0.1 (фиг. 2) значение b поступает на первый вход блока 1.1, со второго выхода блока 0.1 значение P поступает на первый вход блока 3.1, с третьего выхода блока 0.1 значение G поступает на второй вход блока 3.1, с четвертого выхода блока 0.1 значение N поступает на первый вход блока 6.1, с выхода которого значение N поступает на третий вход блока 3.1, с выхода которого значение PGN поступает на первый вход блока 3.3, с пятого выхода блока 0.1 значение y поступает на первый вход блока 2.1, с шестого выхода блока 0.1 значение H поступает на второй вход блока 2.1, с выхода которого значение (y-H) поступает на первый вход блока 3.2, с седьмого выхода блока 0.1 значение Δt поступает на второй вход блока 3.2, с выхода которого значение (y-H)Δt поступает на второй вход блока 3.3, с выхода которого значение PGN(y-H)Δt поступает на второй вход 1.1, на выходе которого 8.1 формируется выражение для формирования оцениваемых параметров b на i+1 момент времени.
i
i
i
i+1
1
-1
-1
-1
С первого выхода блока 0.2 (фиг. 3) значение P поступает на первый вход блока 1.2, со второго выхода блока 0.2 значение α поступает на первый вход блока 6.2, с выхода которого значение α- поступает на первый вход блока 3.4, с третьего выхода блока 0.2 значение Δt поступает на второй вход блока 3.4, с выхода которого значение αΔt поступает на второй вход блока 1.2, с выхода которого значение P+αΔt поступает на первый вход блока 1.3, с четвертого выхода блока 0.2, значение P поступает на первый вход блока 5.1, с выхода которого значение  поступает на первый вход блока 3.5, с пятого выхода блока 0.2, значение G поступает на первый вход блока 5.2, с выхода которого значение  поступает на второй вход блока 3.5, с шестого выхода блока 0.2 значение N поступает на первый вход блока 6.3, с выхода которого значение N поступает на третий вход блока 3.5, с седьмого выхода блока 0.2 значение Δt поступает на четвертый вход блока 3.5, с выхода которого значение  поступает на второй вход блока 1.3, на выходе которого 8.2 формируется выражение для формирования ковариационной матрицы P на i+1 момент времени.
i
i-1
i-1
i-1
i-1
i+1
a
2
2
2
С первого выхода блока 0.3 (фиг. 4) значение G поступает на первый вход блока 3.7, со второго выхода блока 0.3 значение 2 поступает на первый вход блока 2.2, с третьего выхода блока 0.3 значение а поступает на первый вход блока 4.1, с четвертого выхода блока 0.3 значение m поступает на второй вход блока 4.1, с выхода которого значение  поступает на первый вход блока 3.6, с пятого выхода блока 0.3 значение Δt поступает на второй вход блока 3.6, с выхода которого значение  поступает на второй вход блока 2.2, с выхода которого значение  поступает на второй вход блока 3.7, с выхода которого значение  поступает на первый вход блока 2.5, с шестого выхода блока 0.3 значение G поступает на первый вход блока 3.10, с седьмого выхода блока 0.3 значение 1 поступает на первый вход блока 2.3, с восьмого выхода блока 0.3 значение  поступает на первый вход блока 4.2, с девятого выхода блока 0.3 значение m поступает на второй вход блока 4.2, с выхода которого значение  поступает на первый вход блока 3.8, с десятого выхода блока 0.3 значение Δt поступает на второй вход блока 3.8, с выхода которого значение  поступает на второй вход блока 2.3, с выхода которого значение  поступает на первый вход блока 1.4, с одиннадцатого выхода блока 0.3 значение b поступает на первый вход блока 4.3, с двенадцатого выхода блока 0.3 значение m поступает на второй вход блока 4.3, с выхода которого значение  поступает на первый вход блока 3.9, с тринадцатого выхода блока 0.3 значение Δt поступает на первый вход блока 5.3, с выхода которого значение Δt поступает на второй вход блока 3.9, с выхода которого значение  поступает на второй вход блока 1.4, с выхода которого значение  поступает на второй вход блока 3.10, с выхода которого значение  поступает на второй вход блока 2.4, с выхода четырнадцатого блока 0.3 значение x поступает на первый вход блока 3.11, с пятнадцатого выхода блока 0.3 значение Δt поступает на первый вход блока 5.4, с выхода которого значение Δt поступает на второй вход блока 3.11, с выхода которого значение xΔt поступает на первый вход блока 2.4, с выхода которого значение  поступает на второй вход блока 2.5, на выходе которого 8.3 формируется выражение для матрицы чувствительности G на i+1 момент времени.
i
i
i-1
i-1
i-1
i-1
i-1
i-1
i-1
i-1
i-1
i-1
i+1
a
а
2
2
-1
-1
-1
-1
-1
-1
2
-1
-1
2
С первого выхода блока 0.4 (фиг. 5) значение 2 поступает на первый вход блока 3.12, со второго выхода блока 0.4 значение x поступает на второй вход блока 3.12, с выхода которого значение 2x поступает на первый вход блока 3.14, с третьего выхода блока 0.4 значение 2 поступает на первый вход блока 2.6, с четвертого выхода блока 0.4 значение  поступает на первый вход блока 4.4, с пятого выхода блока 0.4 значение m поступает на второй вход блока 4.4, с выхода которого значение  поступает на первый вход блока 3.13, с шестого выхода блока 0.4 значение Δt поступает на второй вход блока 3.13, с выхода которого значение  поступает на второй вход блока 2.6, с выхода которого значение  поступает на второй вход блока 3.14, с выхода которого значение  поступает на первый вход блока 2.8, с седьмого выхода блока 0.4 значение x поступает на первый вход блока 2.7, с восьмого выхода блока 0.4 значение  поступает на первый вход блока 4.5, с девятого выхода блока 0.4 значение m поступает на второй вход блока 4.5, с выхода которого значение  поступает на первый вход блока 3.15, с десятого выхода блока 0.4 значение Δt поступает на второй вход блока 3.15, с выхода которого значение  поступает на первый вход блока 1.5, с одиннадцатого выхода блока 0.4 значение b поступает на первый вход блока 4.6, с двенадцатого выхода блока 0.4 значение т поступает на второй вход блока 4.6, с выхода которого значение  поступает на первый вход блока 3.16, с тринадцатого выхода блока 0.4 значение Δt поступает на первый вход блока 5.5, с выхода которого значение Δt поступает на второй вход блока 3.16, с выхода которого значение  поступает на второй вход блока 1.5, с выхода которого значение  поступает на второй вход блока 2.7, с выхода которого значение  поступает на второй вход блока 2.8, с выхода которого значение  поступает на первый вход блока 1.6, с четырнадцатого выхода блока 0.4 значение d поступает на первый вход блока 4.7, с пятнадцатого выхода блока 0.4 значение m поступает на второй вход блока 4.7, с выхода которого значение  поступает на первый вход блока 3.17, с шестнадцатого выхода блока 0.4 значение sin поступает на первый вход блока 7, с семнадцатого выхода блока 0.4 значение i поступает на первый вход блока 2.9, с восемнадцатого выхода блока 0.4 значение 1 поступает на второй вход блока 2.9, с выхода которого значение i-1 поступает на второй вход блока 7, с выхода которого значение sin(i-1) поступает на второй вход блока 3.17, с выхода которого значение  поступает на первый вход блока 3.18, с девятнадцатого выхода блока 0.4 значение Δt поступает на первый вход блока 5.6, с выхода которого значение Δt поступает на второй вход блока 3.18, с выхода которого значение  поступает на первый вход блока 2.11, с двадцатого выхода блока 0.4 значение µ поступает на первый вход блока 6.4, с выхода которого значение µ поступает на первый вход блока 3.19, с двадцать первого выхода блока 0.4 значение N поступает на первый вход блока 6.5, с выхода которого значение N поступает на второй вход блока 3.19, с выхода которого значение µN поступает на первый вход блока 3.20, с двадцать второго выхода блока 0.4 значение y поступает на первый вход блока 2.10, с двадцать третьего выхода блока 0.4 значение H поступает на второй вход блока 2.10, с выхода которого значение (y-H) поступает на второй вход блока 3.20, с выхода которого значение µN(y-H) поступает на первый вход блока 3.21, с двадцать четвертого выхода блока 0.4 значение Δt поступает на первый вход блока 5.7, с выхода которого значение Δt поступает на второй вход блока 3.21, с выхода которого значение µN(y-H)Δt поступает на второй вход блока 2.11, с выхода которого значение  поступает на второй вход блока 1.6, на выходе которого 8.4 формируется выражение для оценки значений сигнала x на i+1 момент времени.
В следующие моменты времени сформированные на выходе блоков 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 выражения поступают на первый, второй, третий и четвертый входы блока 9 соответственно, на выходе блока 9 формируется система идентификации параметров сигнала.
Литература
1. Сейдж Э.П., Мелса Дж.Л. Идентификация систем управления. М.: Наука, 1974. - С. 204-216.
2. RU №2464615 от 20.10.2012 г.
3. Андрашитов Д.С., Дерябкин И.В., Костоглотов А.А., Лазаренко С.В. Дискретный алгоритм идентификации параметров технических систем // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Мировая наука и образование в условиях современного общества». Часть 2, 30 октября 2014 г. - С. 102-106.
4. Васин В.А., Власов Д.Д. и др. Информационные технологии в радиотехнических системах. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана 2011 - 846 с.