КОРРЕЛЯЦИОННО-ФИЛЬТРОВОЙ ОБНАРУЖИТЕЛЬ С ВЕСОВОЙ ОБРАБОТКОЙ

Предлагаемое устройство, относится к области радиотехники и может быть использовано для обнаружения-разрешения протяженных и точечных радиолокационных объектов (целей).
Известен фильтровой обнаружитель сигнала со случайной начальной фазой [1, стр. 147, рис. 3.10]. Фильтровой обнаружитель сигнала состоит из согласованного фильтра, детектора огибающей, перемножителя и порогового устройства. Сигнал со 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, ширина которого обратно пропорциональна полосе зондирующего тракта, для решения задач разрешения и распознавания является широким и не обеспечивает требуемого качества разрешения.
Известен также корреляционно-фильтровой обнаружитель [2, стр. 166, рис 4.52], состоящий из перемножителя, согласованного фильтра, амплитудного детектора и порогового устройства. 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 проводится сравнение максимального значения корреляционной функции принятого сигнала со значением порога и принимается решение о наличии или отсутствии сигнала в принятой реализации.
Недостатком данного обнаружителя является то, что главный лепесток корреляционной функции зондирующего сигнала также широкий, и для решения задач разрешения и распознавания не обеспечивает требуемого качества разрешения, то есть разрешающая способность ограничена шириной главного лепестка корреляционной функции.
Из известных обнаружителей радиолокационных сигналов наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является корреляционно-фильтровой обнаружитель [3], который выбран в качестве прототипа.
и
и
Основными элементами корреляционно-фильтрового обнаружителя являются два перемножителя, согласованный фильтр, разветвитель сигнала, линия задержки на длительность зондирующего сигнала τ, линия задержки на 2τ, три устройства вычисления модуля корреляционной функции, сумматор, делитель, пороговое устройство.
0
г
Работа данного устройства заключается в следующем: на устройство поступает входной сигнал на частоте ƒ и сигнал гетеродина на частоте ƒ. В согласованном фильтре формируется значение корреляционной функции принимаемого сигнала, представленного в виде смеси полезного сигнала, отраженного от цели и шума.
и
и
С выхода согласованного фильтра сигнал, пропорциональный корреляционной функции, распределяется на три канала устройства, с целью разнесения сигналов по времени на ±τ, относительно временного положения сигнала в основном канале. Значение задержки τ, определяется положением максимального спада главного лепестка корреляционной функции зондирующего сигнала относительно ее максимума, обусловленного его структурой.
Модули разнесенных сигналов, суммируются и из них на делителе формируется весовой коэффициент, который используется при взвешивании значений сигнала основного канала.
Результат перемножения сравнивается со значением порога, на основе чего делается вывод о наличии или отсутствии сигнала.
Недостатком данного обнаружителя является недостаточное обужение главного лепестка корреляционной функции, кроме того имеет место увеличение числа и величины ложных выбросов, что приводит к росту вероятности ложной тревоги.
Целью предполагаемого изобретения является повышение качества разрешения целей по дальности, а также, значительное уменьшение уровня ложных выбросов.
1
и
2
и
2
и
1
2
и
1
2
1
и
1
и
1
2
и
2
и
2
1
2
и
Поставленная цель достигается за счет введения в прототип следующих элементов: в разветвитель сигналов 3 семи дополнительных выходов, линии задержки на 2Кτ 6, двух линий задержки на 2Кτ 7, 8, линия задержки на Кτ 9, линия задержки на (K-K)τ 26, пять устройств вычисления модуля корреляционной функции 13, 14, 15, 16, 17, четыре сумматора 19, 20, 21, 27, делитель 25, перемножитель 23. При этом выходы 4 и 5 разветвителя сигналов 3 формируют модуль разности корреляционных функций |Z-Z|, а выход устройства вычисления модуля 13 соединен со вторым входом делителя 24. Первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы разветвителя сигналов 3, линии задержки на Кτ 4, на 2Кτ 5, 6, устройства вычисления модуля корреляционной функции 10, 11, 12, 13, сумматоры 18, 19, делитель 24, перемножитель 22, образуют первый канал устройства, предназначенный для формирования весового коэффициента L. Шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый выходы разветвителя сигналов 3, линии задержки на 2Кτ 7, 8 и на Кτ 9, устройства вычисления модуля корреляционной функции 14, 15, 16, 17, сумматоры 20, 21, делитель 25, перемножитель 23, образуют второй канал устройства, предназначенный для формирования весового коэффициента L. Выход второго канала устройства соединен с линией задержки на (K-K)τ 26, выход которой соединен со вторым входом сумматора 27, на первый вход сумматора 27 сигнал поступает с перемножителя 22. Выход сумматора 27 соединен со входом порогового устройства 28, на второй вход которого подается порог, определяемый требуемым значением вероятности ложной тревоги. Выход порогового устройства 28 является выходом устройства.
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1.
Алгоритм работы описанного устройства определяется выражением:
где h(t) - импульсная характеристика согласованного фильтра;
1
2
L=L+L - весовой множитель;
п
Z - пороговый уровень;
Y(t) - входной сигнал.
1
и
1
и
2
и
2
и
1
2
и
Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит: перемножитель 1, согласованный фильтр 2, разветвитель сигнала 3, линии задержки на Кτ 4, на 2Кτ 5, 6, на 2Кτ 7, 8, на Kτ 9 и на (K-K)τ 26, устройства вычисления модуля корреляционной функции 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17, сумматоры 18, 19, 20, 21, 27, делители 24, 25, перемножители 22, 23, пороговое устройство 28.
1
и
1
и
1
и
2
и
2
и
2
и
1
2
и
При этом первый перемножитель 1, последовательно соединен с согласованным фильтром 2, разветвителем сигнала 3, который имеет десять выходов; первый выход разветвителя сигнала 3 последовательно соединен с линией задержки на Кτ 4, устройством вычисления модуля корреляционной функции 10 и первым входом перемножителя 22; второй выход разветвителя сигнала 3 последовательно соединен с линией задержки на 2Кτ 5, устройством вычисления модуля корреляционной функции 11 и первым входом сумматора 18; третий выход разветвителя сигналов 3 последовательно соединен с устройством вычисления модуля корреляционной функции 12 и вторым входом сумматора 18, выход которого соединен с первым входом делителя 24; четвертый выход разветвителя сигналов 3 последовательно соединен с линией задержки на 2Кτ 6 и первым входом сумматора 19; пятый выход разветвителя сигналов 3 соединен со вторым инверсным входом сумматора 19, выход которого последовательно соединен с устройством вычисления модуля корреляционной функции 13 и со вторым входом делителя 24, выход которого соединен со вторым входом перемножителя 22; шестой выход разветвителя сигналов 3 последовательно соединен с линией задержки на 2Кτ 7, устройством вычисления модуля корреляционной функции 14 и первым входом сумматора 20; седьмой выход разветвителя сигналов 3 последовательно соединен с устройством вычисления модуля корреляционной функции 15 и вторым входом сумматора 20, выход которого соединен с первым входом делителя 25; восьмой выход разветвителя сигналов 3 последовательно соединен с линией задержки на 2Кτ 8 и первым входом сумматора 21; девятый выход разветвителя сигналов 3 соединен со вторым инверсным входом сумматора 21, выход которого последовательно соединен с устройством вычисления модуля корреляционной функции 16 и со вторым входом делителя 25, выход которого соединен со вторым входом перемножителя 23; десятый выход разветвителя сигнала 3 последовательно соединен с линией задержки на Кτ 9, устройством вычисления модуля корреляционной функции 17 и первым входом перемножителя 23, выход которого последовательно соединен с линией задержки на (К-К)τ 26 и вторым входом сумматора 27, первый вход которого соединен с выходом перемножителя 22, выход сумматора 27 соединен с пороговым устройством 28.
3
0
г
пр
0
г
0
З
Работа предлагаемого устройства заключается в следующем: на первый перемножитель 1 поступает входной сигнал Y(t)=AX(t+τ)+n(t), принятый на частоте ƒ и сигнал гетеродина на частоте ƒ.После преобразования на промежуточную частоту ƒ=ƒ-ƒ в согласованном фильтре 2 формируется значение корреляционной функции Z(τ) принимаемого сигнала Y(t), представленного в виде смеси полезного сигнала отраженного от цели AX(t+τ) и шума n(t).
0
0
Полученное значение корреляционной функции Z(τ) поступает на разветвитель сигнала 3. Разветвитель сигнала Z(τ) имеет десять выходов сигнала.
осн
1
и
0
С первого выхода разветвителя сигналов 3 сигнал Z(τ) с помощью линии задержки 4 задерживается на время Кτ, 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 X(t) относительно ее максимума, обуславливается его структурой.
осн
1
и
1
Со второго выхода разветвителя сигналов 3 сигнал Z(τ) с помощью линии задержки 5 задерживается на время 2Кτ и вычисляется модуль корреляционной функции сигнала Z.
и
кор.
с.
2
где τ=τ(ширина корреляционной функции по уровню 0,5). С третьего выхода разветвителя сигналов 3 происходит вычисление модуля корреляционной функции сигнала Z.
Затем модули корреляционных функций сигналов со второго и третьего выхода разветвителя сигналов 3 поступают на сумматор 18, где происходит их сложение.
Вычисляется модуль разности корреляционных функций сигналов с четвертого и пятого выходов разветвителя сигналов 3, при этом происходит задержка сигналов такая же как и со второго и третьего выходов разветвителя сигналов 3.
1
1
2
1
2
На делителе 10 происходит формирование весового коэффициента Lпутем деления «1» на отношение модуля разности значений корреляционных функций Z и Z к сумме модулей значений корреляционных функций Z и Zи малой постоянной величины Δ, которая в свою очередь исключает деление на «0».
0
1
Затем значение корреляционной функций задержанного сигнала в первом канале Z, перемножается с весовым коэффициентом, тем самым формируется значение весового коэффициента L.
2
и
2
и
2
2
Шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый выходы разветвителя сигналов 3, линии задержки на 2Кτ 7, 8 и на Кτ 9, устройства вычисления модуля корреляционной функции 14, 15, 16, 17, сумматоры 20, 21, делитель 25, перемножитель 23, образуют второй канал устройства, предназначенный для формирования весового коэффициента L. Принцип обработки происходящий во втором канале, аналогичен процессам, происходящим в первом канале. Отличием данного канала от первого, является коэффициент задержки сигналов K, который выбирается исходя из априорной информации о зондируемых сигналах.
Сигналы после задержки примут следующий вид:
2
и
Для задержки на 2Kτ
Для сигнала без задержки
2
и
Для задержки на Kτ
Для модуля разности корреляционных функций сигналов
2
Формирование весового коэффициента L происходит как и в первом канале обработки
1
2
и
Особенностью обработки во втором канале, является то, что сигнал с выхода второго канала проходит через линию задержки на (К-K)τ. Задержка сигнала на это время проводится с целью согласования сигналов 1 го и 2 го каналов.
В сумматоре 27 происходит суммирование совмещенных выходных сигналов 1 и 2 каналов. Результат сравнивается со значением порога, на основе чего делается вывод о наличии сигнала.
Повышение качества разрешения целей по дальности и значительное уменьшение уровня ложных выбросов происходит за счет модернизации весового коэффициента при помощи нормировки разности корреляционных функций сигналов их суммой.
В устройство вводится второй канал, который имеет аналогичный состав, что и первый канал устройства, с целью увеличения качества разрешения и точности измерения. Отличием второго канала, является другое значение задержки сигналов. Задержки будут выбираться с учетом априорной информации таким образом, чтобы провести анализ сигналов с другим временным рассогласованием, позволяющим накапливать полезный сигнал. Как показывает анализ, при изменении задержки сигналов, изменяются и корреляционные функции сигналов. Конструктивно возможно увеличение количества каналов с 2х до большего значения, с целью обеспечения наилучшего разрешения целей по дальности.
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.
Результаты моделирования с применением пакета прикладных программ Matlab работы устройства с весовой обработкой, показали эффективность данного метода. В качестве зондирующего сигнала использовался простой радиоимпульс с длительностью сигнала 1 мкс. Расстояние между фронтами импульсов 1,5 мкс.
При взвешивании сигнала весовым коэффициентом, представляющим из себя сумму корреляционных функций, ширина корреляционной функции составляет 0.75 мкс.
При взвешивании сигнала весовым коэффициентом, представляющим из себя отношении модуля разности корреляционных функций к сумме корреляционных функций, ширина корреляционной функции составляет 0.2 мкс, и соответственно уменьшиться на 27%, а также существенно снижаются уровни ложных выбросов на 22,7 дБ.
Таким образом можно сделать вывод, что предлагаемое устройство позволяет повысить качество решения задач разрешения целей по дальности, а также значительно уменьшить уровень ложных выбросов.
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.
3. Корреляционно-фильтровой обнаружитель: Патент на полезную модель №179509 / Груця В.П., Туров В.Е., Зюзин А.В., Хайбутов К.Е., Полторацкий А.В. - РФ, заявл. 18.12.2017; зарегистр. 17.05.2018.