ИЗМЕРИТЕЛЬ ДАЛЬНОСТИ

Полезная модель относится к цифровой вычислительной технике и может быть использована преимущественно в радиолокационных системах (РЛС) для измерения дальности до цели на основе одного процессора, а также в других областях техники, в том числе с использованием излучения электромагнитных волн, иных, чем радиоволны.
В цифровых приемниках современных РЛС, обрабатывающих большие цифровые массивы, классический метод обнаружения сигналов, несущих информацию о дальности до цели, осуществляется на основе устройств для корреляционного анализа и оптимальной фильтрации, в частности, с помощью многоканальной цифровой обработки малых цифровых массивов (расстановка каналов по дальности) [1]. Недостатком классического устройства для радиолокационного измерения дальности является его многоканальность, что существенно усложняет аппаратурную реализацию на основе построения специализированных многопроцессорных систем.
Известно цифровое устройство оценки дальности, содержащее первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого соединен с входом первого запоминающего устройства (ЗУ), второй АЦП, выход которого соединен с входом второго ЗУ, цифровой процессор обработки сигналов (ЦПОС), модуль цифровых процессоров обработки сигналов для грубой оценки дальности (модуль ЦПОС), формирователь циклического сигнала, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, третье ЗУ и второй сумматор, при этом входы первого и второго АЦП объединены и являются входом устройства, выход первого ЗУ соединен с первыми входами первого сумматора формирователя циклического сигнала и модуля ЦПОС, а выход второго ЗУ соединен со вторыми входами первого сумматора формирователя циклического сигнала и модуля ЦПОС, выход второго сумматора формирователя циклического сигнала соединен с первым входом ЦПОС, ко второму входу которого подключен первый выход модуля ЦПОС, второй выход которого и выход ЦПОС являются, соответственно, первым и вторым выходами устройства.
Ограниченный во времени управляемым временным стробом приемника сигнал, содержащий отраженный от цели полезный сигнал, шумы и помехи, преобразуют в цифровую форму в виде последовательности цифровых кодов и запоминают последовательности цифровых отсчетов в виде двух когерентных числовых выборок длиной L отсчетов. Если зондирующий сигнал не модулирован, то когерентные числовые выборки суммируют и из полученной последовательности формируют перекрывающиеся на Δn отсчетов
последовательности чисел длиной, равной количеству N отсчетов зондирующего сигнала. Для каждой из полученных последовательностей определяют функцию спектральной плотности Фурье и сравнивают ее с пороговым значением. По значению величины и координаты порогового превышения функции спектральной плотности Фурье определяют признак наличия отраженного от цели сигнала в стробе, доплеровское смещение по частоте и положение последовательности длиной 2N отсчетов, содержащей отсчеты отраженного сигнала - интервал линейных сверток. По ним определяют грубую оценку дальности с точностью, соответствующей интервалу перекрытия Δn. Если зондирующий сигнал модулирован, то формируют когерентные числовые выборки длиной 2N отсчетов и суммируют их. Полученную последовательность запоминают, путем поэлементного сложения первой и второй половин этой последовательности формируют циклический сигнал длиной N отсчетов, производят вычисления быстрой циклической свертки с помощью быстрого преобразования Фурье или Хартли, определяют значения величин и координат порогового превышения значений свертки с точностью до отсчета, по которым определяют радиальную дальность до цели с точностью, соответствующей интервалу оцифрения отраженного сигнала [2].
Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного цифрового устройство оценки дальности, является относительно низкое его быстродействие, обусловленное значительными трудоемкостью и вычислительными затратами, связанными с определением интервала линейных сверток. Это, в свою очередь, требует применения большого объема сложных и дорогостоящих ЦПОС.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Ее задачей является упрощение измерителя дальности и расширение его возможностей при существенном уменьшении объема, сложности и стоимости аппаратурной реализации. Технический результат, получаемый при осуществлении полезной модели, выражается в повышении быстродействия измерителя дальности.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное цифровое устройство оценки дальности, содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход которого является входом устройства, первое запоминающее устройство (ЗУ), вход которого соединен с выходом АЦП, первый и второй сумматоры, цифровой процессор обработки сигналов (ЦПОС), выход которого является выходом устройства, согласно полезной модели введены второе ЗУ, первый и второй умножители, инвертор, сумматор-накопитель, при этом вход второго ЗУ соединен с выходом первого ЗУ, первым и вторым входами первого умножителя, а выход - с первым и вторым входами второго умножителя; выход первого умножителя соединен с первым входом первого сумматора, ко второму
входу которого подключен выход сумматора-накопителя; выход второго умножителя через инвертор подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход - с входом сумматора-накопителя, выход которого соединен с входом ЦПОС.
Второе ЗУ выполнено с возможностью последовательного доступа по типу FIFO.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых представлены: фиг.1 - структурная схема измерителя дальности; фиг.2 - иллюстрация формирования последовательности отсчетов текущего энергетического спектра сигнала; фиг.3 - текущий энергетический спектр сигнала; фиг.4 - блок-схема алгоритма работы ЦПОС.
1
2
1
1
2
2
1
Измеритель дальности (фиг.1) содержит последовательно включенные АЦП 1, первое 2 и второе 3 ЗУ, вход которого также соединен с первым и вторым входами первого умножителя 4, а выход - с первым и вторым входами второго умножителя 4. Выход первого умножителя 4 соединен с первым входом первого сумматора 6, ко второму входу которого подключен выход сумматора-накопителя 7. Выход второго умножителя 4 через инвертор 5 подключен к первому входу второго сумматора 6, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 6, а выход - с входом сумматора-накопителя 7, выход которого соединен с входом ЦПОС 8. Входом устройства является вход АЦП 1, который подключен к соответствующему выходу приемника, например, РЛС (на схеме не показано), выходом - выход ЦПОС 8. Описанное устройство выполнено на известных элементах цифровой техники. В частности, второе ЗУ 3 может быть выполнено в виде регистра с последовательно соединенными ячейками памяти и параллельным переносом их содержимого и прямым доступом к первой и последней ячейке памяти с возможностью последовательного доступа по типу "первый вошел - первый вышел" (FIFO) [3]. ЦПОС 8 выполнено по известным правилам на логических элементах цифровой техники, его структура ясна из блок-схемы алгоритма работы, приведенного на фиг.4.
i
1
Измеритель дальности работает следующим образом. На вход АЦП 1 с выхода приемника РЛС поступает аналоговый сигнал x(t), длительность которого ограничена временным стробом приемника - Т. На выходе АЦП 1 формируется последовательность отсчетов x(i·Δt), длиной L=Т÷Δt, где «÷» - операция целочисленного деления, которая записывается в первое ЗУ 2 в виде числового массива х (фиг.2), поступающего на вход второго ЗУ 3, первый и второй входы первого умножителя 4. Далее формируется текущий энергетический спектр (ТЭС) сигнала по рекуррентной формуле, предложенной авторами:
,
0
1
2
где Е=0, T≤i≥T;
2
1
1
1
2
2
2
i
Параллельно на первый и второй входы второго умножителя 4 поступает число из N-ой ячейки регистра памяти второго ЗУ 3. Результат умножения с выхода первого умножителя 4 поступает на вход первого сумматора 6, на его второй вход поступает числовая величина с выхода сумматора - накопителя 7. Полученный результат, представляющий сумму двух чисел, с выхода первого сумматора 6 поступает на первый вход второго сумматора 6, на второй вход которого поступает числовая величина с выхода инвертора 5, полученная инвертированием (сменой знака числа) результата, поступившего с выхода второго умножителя 4. С выхода второго сумматора 6 результат суммирования поступает на вход сумматора - накопителя 7 и полученные в нем числа представляет собой последовательные отсчеты ТЭС (фиг.3), которые в порядке их вычисления последовательно поступают на вход ЦПОС 8. Здесь, согласно алгоритму, приведенному на фиг 4, каждый отсчет из последовательно полученных значений ТЭС сравнивается с максимальным значением из предшествующих его отсчетов и если новый отсчет превышает имеющийся максимум, то он запоминается как новое максимальное значение ТЭС вместе с соответствующим ему номером отсчета. В противном случае сохраняются прежнее максимальное значение ТЭС и номер его отсчета. Полученное наибольшее значение отсчета энергетического спектра МахЕ сравнивается с пороговым значением Ероr, в качестве которого может быть взято любое значение энергетического спектра E в интервале (М-N<i>М+N), где отсутствует принятый сигнал, или задано априори. При превышении порога, т.е. выполнении условия МахЕ-Ероr≥So, где величина So=N/2 соответствует минимальному значению ТЭС отраженного сигнала, судят о наличии полезного сигнала от цели в последовательности отсчетов. Дальность R до цели определяется по формуле:
,
где М - номер отсчета сигнала, соответствующий наибольшему по величине отсчету ТЭС;
Δt - интервал дискретизации аналого-цифрового преобразования;
0
t - начало временного строба приемника;
с - скорость распространения радиоволн в свободном пространстве (скорость света).
Как видно из блок-схемы алгоритма фиг.4, все технические компоненты, входящие в ее состав, являются цифровыми и составляют номенклатуру типового ЦПОС, например, процессоров типа TMSXXX, ADSPXXX и т.д. Поэтому в целом устройство измерения дальности может быть выполнено на основе одного процессора.
r
Пример. Пусть L=4096=4N, N=1024=2, r=10. Оценку числа Кс арифметических
операций, необходимых для осуществления заявленного устройства, можно записать в виде:
Кс=(L-N)(2+2+1+1+1)=18N,
т.е. для вычисления одного отсчета ТЭСС необходимо выполнить две операции умножения, две операции сложения, одну операцию вычитания. Для нахождения максимума ТЭСС необходимо выполнить одну операцию сравнения и одну операцию присвоения.
Оценку числа Кn арифметических операций, необходимых для реализации прототипа, можно записать в виде:
Кn=(8+3)Кбпф≈550N,
где оценка счета БПФ [1, 2] Кбпф=(N/2)r·10.
В прототипе для определения позиции линейных сверток или грубого определения дальности необходимо выполнить вычисление восьми алгоритмов БПФ, а для точного вычисления дальности необходимо вычислить три алгоритма БПФ, соответствующих вычислению алгоритма быстрой циклической свертки.
Приведенные оценки быстродействия показывают, что по этому критерию заявленный измеритель дальности примерно в 30 раз эффективнее его прототипа. Очевидно и преимущество в технической реализации заявленного решения.
Источники информации:
1. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М., «МИР», 1978.
2. RU 2264650, G06F 17/14, G01S 13/26, 2005.
3. Новожилов О.П. Основы цифровой техники / Учебное пособие. - М.: ИП Радио-Софт, 2004, стр.322-327.