Метод совместного измерения дальности и относительной радиальной скорости цели за один цикл "излучение-прием"

Метод совместного измерения дальности И относительной радиальной скорости цели за один цикл "Излучение-прием"

Ключевые слова: широкополосные сигналы, помехоустойчивость, доплеровская дисперсия, преобразование Меллина, корреляционная обработка.

Анализ основных проблем, связанных с использованием активных телекоммуникационных систем для поиска и определения параметров движения целей, показывает, что с точки зрения обеспечения высокой разрешающей способности, борьбы с реверберацией и многолучевостью, а также с точки зрения скрытности, наиболее предпочтительными считаются широкополосные сигналы [1]. Но при этом оказывается несправедливой гетеродинная аппроксимация доплеровско-го эффекта и, как следствие, параметры сигнала не могут быть определены на основе функции неопределенности Вудворда [2]. Объектом исследования является мультипликативный радиосигнал. Предмет исследования — метод совместного измерения дальности и относительной радиальной скорости абонента. Методология исследования заключается в поиске новых методов решения основных проблем, связанных с использованием активных телекоммуникационных систем для поиска и определения параметров движения абонента. В результате проведенных исследований разработан метод измерения дальности и относительной радиальной скорости транспортного средства. Область применения — телекоммуникации между скоростными объектами. Выводы: 1. Существующие методы не позволяют с высокой точностью измерить одновременно и дальность и относительную скорость в условиях доплеровской дисперсии канала. 2. Разработан метод обработки широкополосных сигналов в условиях доплеровской дисперсии для обеспечения поиска и определения параметров движения цели за один цикл "излучение — прием".

Павликов С.Н.,

ФБОУ ВПО Морской государственный университет им. адмирала Г.И. Невельского, заведующий кафедрой радиоэлектроники и радиосвязи, профессор, кт.н, psnl953@mail.iv

Убанкин Е.И.,

ФБОУ ВПО Морской государственный университет им. адмирала Г.И. Невельского, доцент кафедры радиоэлектроники и радиосвязи, доцент, к.т.н., vei@inbox.rv

В задачах согласованной фильтрации стремятся к представлению сигнала, инвариантного относительно заданной группы преобразований. Перспективным направлением является применение инвариантных методов обработки, основанных на принципе инвариантности интегрального преобразования Меллина сигнала относительно его сжатия (растяжения) и использующих понятие мультипликативной корреляционной функции [2, 3]. Среди широкополосных сигналов особый интерес представляют сигналы с гиперболической частотной модуляцией (ГЧМ-сигналы), благодаря своему свойству оставаться согласованным заданному фильтру даже при наличии радиальной скорости цели [4].

В результате корреляционной обработки таких сигналов, фаза отклика из-за эффекта Доплера является случайной величиной, зависящей от неизвестного доплеров-ского параметра а, т.е. в широкополосных системах такая обработка будет затруднена [5]. Полное исключение

доплеровского поиска при использовании ГЧМ-сигналов не позволяет осуществлять измерение скорости цели [1].

Еще один существенный недостаток присущий всем сигналам с ГЧМ - это наличие временного сдвига корреляционного отклика под воздействием эффекта Доплера, что может привести к совпадению сигналов от целей, движущихся с различными радиальными скоростями [4], возможная ошибка измерения дальности при этом составляет:

ДЯ = ^ = ±^ 2 К

2л\¥

.. Следовательно, искажение сигнала с

Т

ГЧМ, вызванное Доплеровским эффектом, сводится к сдвигу во времени отклика согласованного фильтра, что может привести к совпадению откликов от целей, движущихся с различной радиальной скоростью.

Настоящая работа обобщает результаты исследований в области обработки широкополосных сигналов в условиях доплеровской дисперсии для обеспечения поиска и определения параметров движения целей.

В [6] было показано, что при сдвиге начала ГЧМ-сигнала относительно начала отсчета он перестает быть устойчивым к мультипликативным преобразованиям носителя сигнала. В этом случае, при корреляционной обработке отраженного от подвижной цели сигнала с эталоном, происходит сдвиг отклика взаимно корреляционной функции ±г« [4]:

2Ут

где х - сдвиг начала сигнала относительно начала его отсчета; С - скорость распространения сигнала в среде.

Представляется возможным решить задачу совместного разрешения цели по дальности и относительной радиальной скорости за один цикл «излучение-прием» используя в качестве зондирующего инверсную пару мультипликативных сигналов со сдвигом начала каждого сигнала относительно начала своего отсчета. При этом измерение скорости основано на использовании временного сдвига откликов согласованного фильтра (1).

Излучаемый в среду сигнал описывается следующим выражением:

S(t)= recti —1 + Г |sin(n 1п(- / + г)Х— / + г) : +

rect^^y^ jsin(Q Іп(/ - г)Х/ - г) 2 -

+ rect

it + тЛ у/а Т ) •>/- at + г

M)S(t)dt =

= -Ja х jsin(filna) J rect^—T jrect^ —* T j x

[ -oo

cos

Г-

at + г

cit +

:os(fi In a) Jrect^—T j

+ cos

, -t + r rect -----------I X

sin(Qln(-(/-(r' + r„)-r))) sin(nin(-/ + r)) |

at + r

v=

t + T

-4a xjsin

Jat-1

dt +

t + T

+ COS

где Q - несущая частота Меллина; T - аддитивная длительность сигнала.

Из анализа (2) видно, имеет место мультипликативная симметрия, она состоит в том, что если время одного из сигналов считать положительным, время второго сигнала оказывается инвертированным.

В силу неинвариантности процедуры сжатия сигнала в масштабе dt/t в моменты времени -гиг имеют место два отклика, при т= О они совпадают.

После отражения от цели принимаемый сигнал вследствие доплеровской деформации и конечной скорости распространения в среде [1] имеет вид:

О /.ч .f~a, + r) Va"

S3(t)= rect ----------- -г— - x

V T J V- at + т x sin (fi In a )cos (Q ln(- (t - (г' + та )- r))) +

-at + т^ >fa

(П In a) Jrect^^y^ jrect^-y^j x sin(Qln(/-(r'-r„)-r)) sin(filn(-/+ г)) 1

x J— T-.* г T

+ -Ja  sinlQ In a) jrccij"——|rect|"j * cos

+ COSI

(Піп a) J

•J-at + г

-at + t

dt +

rect

yjt-T

[recti |x

sin

r-

at + т

+ 4a x jsin(Qlna) jYect^6^ Г jrect^^-^-jx

cos(Q ln(/ - (r' - r„) - r)) sin(Qln(/ - r)) -Jat - t ->Jt-r

+ cos

dt\ +

dt +

Jat -1

dt

хсо5(С21па)5т(П1п(-(/-(г' + та )-г)))+

+ гес/ ——-1 -а -5ш(П 1п а)соз(П 1п(/ - (г' - та)- г))+

V Т ) у/а!-т

+ гес/ — 1 С05

V Т )у]а/-т

где г'- задержка за счет конечности скорости распространения сиг нала в среде.

Ортогональный к (2) косинусный эталон запишется:

5, (/)= гес^—* * Г ^оь(П1п(- / + г)Х~ / + г) 2 +

+ гес^—^ соя

При корреляционном сравнении принятого сигнала

(3) с эталоном (2) корреляционный отклик описывается следующим выражением:

Анализ (5) показывает, что слагаемые 1 и 7 равны нулю вследствие ортогональности сигналов под знаком интеграла (предполагается, что сигнал содержит достаточно большое число волн, т.е. |п — »| )• Слагаемые

2л

3+6 равны нулю (без учета шумовой составляющей) вследствие некоррелируемости сигналов под знаком интеграла из-за противоположного направления модуляции. Кроме того, вырезающие функции в (5) можно опустить, а пределы интегрирования принять равными времени, соответственно, начала и конца зондирующего сигнала (/„ = г - 772; /к =772 + г). С учетом вышеизложенного выражение (5) преобразуется к виду:

/?л.(г) = л/ёг со5(01па)х

sin

at + т

4~-

dt +

t + т

| jsin(nin(/-(r'-r„)-r)) sin(Qln(/-r))|frj .

Jt-T

t + T

Осуществляя перебор по оси задержек с интервалом дискретизации входного процесса д/ = _!_, в момент

4./:

Л,

Лс(г) = 5т(П1па

Л = /?,2

компенсации задержек (г'±г, = 0), получим выражение

меллиновской корреляционной функции с параметром сжатия тождественно равным единице. Производя замену переменных 11\ = 1п(-/ + г), и-1 = 1п(/ + г), перейдем к аддитивной корреляционной функции, т.е. выражение (6) может быть представлено как:

[|п(-уг) 1

Л, (г) = СО$(П

или иначе может быть записано в виде:

}•

[при г + та = 0 при х — ха =0]

Аналогично можно показать, что в результате корреляционного сравнения принятого сигнала (3) с эталоном

(4), отклик в момент компенсации задержек составит:

Е Е 1

[при т' + та =0 при т'-та = о]

Возведя в квадрат (7) и (8) и просуммировав результаты получим:

[ Е + Е 1 . (9) [приг' + го=0 приг'-га=0]

Таким образом, в результате предложенной обработки принятого сигнала получаем устойчивый корреляционный отклик, имеющий два максимума, а временной интервал между ними составляет:

4Ух С '

Следовательно, представляется возможным измерить радиальную относительную скорость цели на основании следующего выражения: г,', С 4г

Учет временных сдвигов позволяет однозначно измерить дальность до цели.

На временной диаграмме (рис. 1.) моменты времени составляют:

1| — соответствует местоположению первого максимума;

— соответствует местоположению второго максимума;

Г — соответствует истинной дальности до цели.

Таким образом, дальность и относительная радиальная скорость цели могут быть определены на основании следующих выражений:

С('| +':).

г' =-2г„ =-

V = -

£> =

У =

4 4г

Рис. 1. Отклик системы совместного измерения дальности и скорости целей

Устройство работает следующим образом. Коммутатор 3 обеспечивает подачу сигнала (2) с генератора 7 на блок временной инверсии 4 и далее к передатчику для излучения. Триггер 5 сбрасывает по переднему фронту сигнала и определяет начало отсчетов кольцевого счетчика 6. Импульсы переполнения со счетчика через интервалы времени (2п + 1)7^ (где п = 0, 1,2, ..., 7"е — время задержки в элементах корреляторов 10, 11, 14) поступают на вход генераторов 7 и 8, которые выдают очередную реализацию опорных сигналов. При этом на линии задержки 10, 12 поступает реализация исследуемого процесса с выхода АЦП 2. В момент, когда в элементах 10 и 12 окажется записан принятый сигнал (3), на выходах блоков 16 и 17 будут иметь место корреляционные отклики соответственно (7) и (8). После возведения в квадрат в блоках 18,19 и суммирования в блоке 20 имеет место отклик (9). На первый и второй входы блока 21 подаются соответственно импульс с триггера 5 в момент излучения ЗС и корреляционный отклик (9) в момент приема сигнала.

В результате на выходах блока 21 в соответствии о формулами (10) и (11) имеем вычисленные значения дальности и радиальной скорости.

Синхронизация работы устройства осуществляется импульсами блока управления 9.

Техническое устройство, реализующее рассмотренный алгоритм обработки, представлено на рис. 2, где обозначены: полосовой фильтр - 1; аналого-цифровой преобразователь - 2; коммутатор - 3; инвертор - 4; триггер - 5; кольцевой счетчик - 6; генератор опорных колебаний - 7; блок управления - 9; генератор опорных ортогональных колебаний - 8; рециркуляционная линия задержи - 10 - 13; умножитель - 14, 15; усилитель - 16, 17; квадратор - 18, 19; сумматор - 20; блок оценки дальности и скорости -21.

3 I-*! 4

т

11 —1 1»

г

13

17 ------.

Рис. 2. Устройство совместной оценки дальности и скорости цели

Литература

1. Кук Ч.. Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. - М.: Сов. Радио, 1971. - 568 с.

2. Сапрыкин В.А., Рокотов С.П. Теория гидроакустики и цифровая обработка сигналов. - Л.: ВВМУРЭ, 1991.-415с.

3. Кейсесент Д., Псалтис Д. Новые методы оптических преобразований при распознавании образов. // ТИИЭР, 1977. -Т. 65.-№ 1.-С. 92-100.

Method of incorporated measurement of a distance and relative radial speed of the purpose for an one cycle

"Radiating reception"

Pavlikov Sergey,

The Maritime State University named after G.l. Nevelskoi, Vladivostok, Head of the chair of radio electronics and telecommunications, professor, candidate of technical sciences, Primorsky Kray, Russian Federation, psnl953@mail.ru

Ubankin Evgenij,

The Maritime State University named after Admiral G.I.Nevelskoi, Associate Professor of the Department ofRadio electronics and telecommunications, docent, candidate of technical sciences, Primorsky Kray, Russian Federation, uei@ inbox.ru

Abstract

The analysis of the basic problems use of active telecommunication systems for search, and definition of parameters of movement showing that from the point of view of service of high resolution, preferable broadband signals [1]. But thus not geterodinny approach of doplerovsky of effect and as a consequence, parameters of a signal not be the found of function of uncertainty of Vudvorda [2]. Object of research — a radio signal. The subject of research — a method of joint measurement of distance to object and relative radial speed. The methodology of the research consist in search of new methods of the decision the problems, incorporated with use of active telecommunication systems for search and definition of parameters of movement of object. As a result of researches — the method of measurement of distance and relative radial speed of a vehicle are develop. Area — telecommunications between high-speed objects.

Conclusions:

1. Exist methods measurements of distance and relative radial speed in the conditions of doplerovsky of a dispersion of the channel done not allow.

2. A method of processing of broadband signals in the conditions of doplerovsky of a dispersion, developed for search and definition of parameters of movement of the purpose for an one cycle "radiation — reception".

Keywords: broadband, network, signal, noise, Doppler, dispersion, transformation, Mellina, correlation, process.

References

1. Cook C., Bernfeld M. Radar-tracking signals. Moscow, 1971. 568 p.

2. Saprykin VA., Rocootov S.PTheor's roars of hydroacoustics and digital processing of signals. Leningrad: VMIRE, 1991. 415 p.

3. Keysesent D, PsaltisNew methods of optical transformations at recognition of images. / IEEE. 1977. Vol. 65. No 1. pp. 92-100.

4. Rikhachek A.B. Signals admissible from the point of view of doplerovsky effect / IEEE, 1966. Vol. 54. No 6. pp. 56-98.

5. Harris B, Kramer A. Asimptotichesky method of lunction evaluation of uncertainty it are frequency the modulation signals of high-sensitivity correlation hydrolocators / IEEE, 1968. Vol. 56. No 12. pp. 59-68.

6. Ubankin E.l, Pavlikov S.N. Optimization of broadband signals.-Vladivostolc the Maritime State University, 1998. 57 p.

4. Рихачек А.В. Сигналы допустимые с точки зрения допле-ровского эффекта. // ТИИЭР, 1966. - Т. 54. - №6. - С. 56-98.

5. Харрис Б.. Крамер А. Асимптотический метод вычисления функции неопределенности частотно модулированных сигналов высокочувствительных корреляционных гидролокаторов. // ТИИЭР, 1968. - Т. 56. - № 12. - С. 59-68.

6. Убанкин Е.И., Павликов С.Н. Оптимизация широкополосных сигналов. - Владивосток: ДВМГА, 1998. - 57 с.