Корреляционно-фильтровой обнаружитель

Предлагаемое устройство, относится к области радиотехники и может быть использовано для обнаружения-разрешения протяженных и точечных радиолокационных объектов (целей).
Известен корреляционный обнаружитель сигнала со случайной начальной фазой [1, стр. 146, рис. 3.9] (фиг. 1), основными элементами которого являются два квадратурных канала, каждый из которых имеет в своем составе перемножитель 1 и 2, интегратор 3 и 4, квадратурный детектор 5 и 6. Далее сумматор 7, блок вычисления модуля значения корреляционных интегралов 8, пороговое устройство 9.
Сигнал поступает на вход перемножителя каждого из каналов (опорное напряжение в них сдвинуто на 90 градусов относительно друг друга), далее на интегратор, где происходит вычисление корреляционного интеграла, затем квадратурный детектор, где происходит возведение в квадрат, далее сигналы приходят на сумматор, где происходит сложение сигналов из каждого канала, затем на блок вычисления модуля значения корреляционных интегралов, далее на пороговое устройство, где происходит сравнение значения полученного результата со значением порога.
и
Недостатком данного обнаружителя является то, что главный лепесток корреляционной функции зондирующего сигнала в виде простого радиоимпульса является широким (τ по половинному уровню), что в свою очередь приводит к низкой разрешающей способности по дальности.
Известен также фильтровой обнаружитель сигнала со случайной начальной фазой [1, стр. 147, рис. 3.10] (фиг. 2). Фильтровой обнаружитель сигнала состоит из согласованного фильтра 1, детектора огибающей 2, перемножитель 3 и порогового устройства 4. Сигнал с входа поступает на согласованный фильтр, далее на детектор огибающей, затем сигнал поступает на пороговое устройство, где происходит сравнение сигнала со значением порога. Решение принимается в момент t=T, когда значение корреляционной функции сигнала максимальное.
Недостатком данного обнаружителя является то, что главный лепесток корреляционной функции зондирующего сигнала в виде простого радиоимпульса также является широким.
Из известных обнаружителей радиолокационных сигналов наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является корреляционно-фильтровой обнаружитель [2, стр. 166, рис 4.52] (фиг. 3), который выбран в качестве прототипа.
Устройство имеет в своем составе перемножитель 1, согласованный фильтр 2, амплитудный детектор 3, пороговое устройство 4.
Принятый сигнал поступает на перемножитель, на второй вход которого поступает напряжение гетеродина, затем сигнал поступает на согласованный фильтр, настроенный на промежуточную частоту, далее на детектор, затем на перемножитель, второй вход которого соединен с формирователем дельта-функции, далее на пороговое устройство, где производится сравнение максимального значения корреляционной функции принятого сигнала со значением порога и принимается решение о наличии или отсутствии сигнала в принятой реализации.
Математическое описание алгоритма работы устройства имеет вид:
,
где Y(t) – входной сигнал;
h(t) – импульсная характеристика согласованного фильтра;
п
Z – пороговый уровень;
δ (t, α) – дельта-функция.
Недостатком данного обнаружителя является то, что главный лепесток корреляционной функции зондирующего сигнала в виде простого прямоугольного импульса также является широким, соответственно имеет такие же недостатки, как и у предыдущих схем (фиг. 1, фиг. 2).
Целью предполагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей обнаружителя за счет «обужения» главного лепестка корреляционной функции любого зондирующего сигнала, что в свою очередь позволит повысить разрешающую способность по дальности объектов локации.
и
и
1
2
Поставленная цель достигается за счёт введения в прототип следующих элементов: после согласованного фильтра в схему вводится ещё два дополнительных канала обработки и разветвитель сигнала 3 последовательно соединенный в первом канале с линией задержки на время τ 4, устройством вычисления модуля корреляционной функции Z принятого сигнала 6, перемножителем 11. Во втором канале разветвитель сигнала 3 последовательно соединенен с линией задержки на время 2τ 5, устройством вычисления модуля корреляционной функции Z входного сигнала 7, сумматором 9, второй вход которого соединен с устройством вычисления модуля корреляционной функции Z входного сигнала 8. Сумматор 9 последовательно соединен с делителем 10, перемножителем 11. Выход перемножителя 11 соединен со входом порогового устройства 12, на второй вход которого подается порог, определяемый исходя из требоваемого значения вероятности ложной тревоги. Выход порогового устройства 12 является выходом устройства.
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 4.
Математическая формула алгоритма работы описанного устройства имеет вид:
,
где h(t) – импульсная характеристика согласованного фильтра;
К – весовой множитель;
п
Z – пороговый уровень;
Y(t) – входной сигнал.
и
и
Предлагаемое устройство (фиг. 4) содержит: перемножитель 1, согласованный фильтр 2, разветвитель сигнала 3, линии задержки на ф 4 и на 2ф 5, устройства вычисления модуля корреляционной функции 6, 7 и 8, сумматор 9, делитель 10, перемножитель 11, пороговое устройство 12.
При этом первый перемножитель 1, последовательно соединен с согласованным фильтром 2, разветвителем сигнала 3, линией задержки 4, устройством вычисления модуля корреляционной функции сигнала 6, первым входом перемножителя 11, пороговым устройством 12, второй выход разветвителя сигнала 3 последовательно соединен с линией задержки 5, с устройством вычисления модуля корреляционной функции сигнала 7, сумматором 9, второй вход которого соединен с выходом устройства вычисления модуля корреляционной функции сигнала 8, а выход последовательно соединен с делителем 10 и вторым входом второго перемножителя 11, причем вход устройства вычисления модуля корреляционной функции сигнала 8 соединен с третьим выходом разветвителя сигнала 3.
Работа предлагаемого устройства заключается в следующем:
0
г
пр
0
г
0
на первый перемножитель 1 поступает входной сигнал
, принятый на частоте f и сигнал гетеродина на частоте f. После преобразования на промежуточную частоту f = f- f в согласованном фильтре 2 формируется значение корреляционной функции Z(τ) принимаемого сигнала Y(t), представленного в виде смеси полезного сигнала задержанного от цели  и шума n(t).
.
0
0
0
и
Полученное значение корреляционной функции Z(τ) поступает на разветвитель сигнала 3. Разветвитель сигнала Z(τ) распределяет его на три канала. В первом канале сигнал Z(τ) с помощью линии задержки 4 задерживается на время τ, равное длительности корреляционной функции зондирующего сигнала по уровню 0,5. Затем вычисляется модуль корреляционной функции сигнала Z(τ).
.
и
Значение задержки |τ| определяется положением провала в структуре корреляционной функции зондирующего сигнала Х(t) относительно ее максимума, обусловленного его структурой. Для простого прямоугольного импульса значение задержки совпадает с длительностью импульса Х(t).
и
1
Во втором канале сигнал Z с помощью линии задержки 5 задерживается на время 2τ и вычисляется модуль корреляционной функции сигнала Z.
,
(5)
где  (ширина корреляционной функции по уровню 0,5).
2
В третьем канале вычисляется модуль корреляционной функции сигнала Z.
|.
1
2
Затем модули корреляционных функций сигналов со второго и третьего канала поступают на сумматор 9, где происходит их сложение. На делителе 10 происходит формирование весового коэффициента K, путем деления «1» на сумму модулей значений корреляционных функций Z и Z и малой постоянной величины Δ, которая в свою очередь исключает деление на «0».
.
Затем значение корреляционной функции задержанного сигнала в первом канале Z перемножается с весовым коэффициентом, тем самым выполняется взвешивание значений сигнала основного канала весовым коэффициентом K.
Результат перемножения сравнивается со значением порога, на основе чего делается вывод о наличии сигнала.
Повышение разрешающей способности происходит за счет использования априорной информации о форме корреляционной функции зондирующего сигнала, взаимного расположения максимума и минимумов корреляционной функции, что обеспечивает «обужение» корреляционной функции путем ее «взвешивания» коэффициентом К.
При близком расположении двух сигналов использование весового коэффициента приводит к увеличению глубины провала взвешенной результирующей корреляционной функции двух отраженных от целей сигналов между ее максимальными значениями, а также к некоторому «обужению» пика корреляционной функции каждого импульса.
Вышеизложенное подтверждается графиками, поясняющими работу предлагаемого устройства (фиг. 4,5,6,7,8,9,10).
и
и
На фиг. 5 показана зависимость значений принятых радиоимпульсов Y(t) от их временного расположения при задержке между ними равной 2ф. (ф– длительность импульса).
и
На фиг. 6 показан модуль корреляционной функция Z(t) на выходе согласованного фильтра при задержке между двумя сигналами, 1,5ф(сигналы разрешаются по уровню 0,5).
и
На фиг. 7 показан модуль корреляционной функции Z(t) на выходе блока весовой обработки при задержке между двумя сигналами равное 1,5ф (сигналы разрешаются по уровню 0,5).
и
На фиг. 8 показан модуль корреляционной функция Z(t) на выходе согласованного фильтра при задержке между двумя сигналами, 1,22ф (сигналы не разрешаются по уровню 0,5).
и
На фиг. 9 показан модуль корреляционной функции Z(t) на выходе устройства с весовой обработкой при задержке между двумя сигналами равное 1,22ф (сигналы разрешаются по уровню 0,5).
Поскольку предлагаемое устройство не создает экономического эффекта, анализ проведем на сравнении функциональных возможностей данного устройства и базового объекта, в качестве которого принят прототип, как наиболее близкое устройство по техническому решению и поскольку оно отвечает необходимым требованиям, предъявляемым к подобным устройствам.
Проведем исследование зависимости разрешающей способности по дальности от изменения задержки между фронтами двух радиоимпульсов.
и
и
и
Для этого будем изменять задержку между фронтами радиоимпульсов от фдо 2ф с шагом 0,2ф для устройств с весовой обработкой и без весовой обработки. Амплитуды принятых импульсов равны между собой.
Для оценки разрешающей способности рассмотрим зависимость W(ф) , определяемую как отношение значения корреляционной функции, полученной между максимальными значениями к максимальному значению корреляционной функции первого импульса, от задержки между входными импульсами для случая предлагаемого устройства и прототипа.
и
и
Из анализа полученных зависимостей видно (фиг. 10), что в случае применения весового коэффициента (кривая 2) разрешение (по уровню 0,5) становиться возможным даже при задержке между сигналами на 1,22 ф, а без использования весовых коэффициентов (кривая 1), разрешение возможно при задержке 1,5 ф, что дает выигрыш в предлагаемом устройстве на 18,6 %.
и
и
Для проверки эффективности данного устройства проанализируем полученные результаты при отношении сигнал шум равном0, -14, -22, -27 дБ. Исходя из полученных зависимостей, можно сделать вывод, что при отношении сигнал шум равном – 22 дБ сохраняется возможность разрешения сигналов в предлагаемом устройстве при задержке между импульсами 1,22ф (фиг. 11,12,13,14). В прототипе разрешение при данном отношениии сигнал/шум еще возможно при задержке между импульсами, равной 1,5фи более. Дальнейшее снижение отношения сигнал/шум ухудшает возможности разрешения сигналов по дальности в обоих устройствах.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что поставленная цель по повышению разрешающей способности по дальности достигается за счет использования весовых коэффициентов, сформированных с учетом априорной информации о форме корреляционной функции зондирующего сигнала, что в свою очередь позволит повысить, разрешающую способность на 18,6 % при отношении сигнал/шум не хуже – 22 дБ.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Информационные технологии в радиотехнических системах/под ред. И.Б. Федорова. – М: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. – 846 с.
2. Радиолокационные системы: учеб. / В. П. Бердышев, Е. Н. Гарин, А. Н. Фомин [и др.]; под общ. ред. В.П. Бердышева. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т . – 2012 – 400 с.