Метод повышения разрешающей способности и помехоустойчивости импульсных сигналов в средствах нелинейной радиолокации

УДК 621.396.96

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ В СРЕДСТВАХ НЕЛИНЕЙНОЙ РАДИОЛОКАЦИИ

А.В. Волков, В.М. Питолин, С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет

Статья посвящена актуальной задаче повышения разрешающей способности и помехоустойчивости импульсных сигналов в средствах нелинейной локации. Решение задачи проводится за счет реализации в приемнике нелинейного локатора двух каналов обработки импульсного сигнала. Первый канал позволяет за счет применения модифицированного прямого вейвлет-преобразования (МПВП) на основе вейвлета Морле повысить разрешающую способность приемника. Качественный анализ выходных сигналов для устройств, реализующих предлагаемый способ, свидетельствует об очевидном выигрыше с точки зрения разрешающей способности и точности за счет применения МПВП. Второй канал реализован после блока МПВП и состоит из детектора и двух блоков пересечения, включенных последовательно с элементами задержки, что обеспечивает свертку входных парциальных импульсов в один. Количественная оценка показателей качества помехоустойчивого канала показывает выигрыш примерно от 15 дБ до 22 дБ в зависимости от вида распределения помех. Метод обработки импульсных сигналов и представленная схема являются оригинальными. Степень их проработки и исследования дает возможность сделать однозначный вывод о достоверности, работоспособности и целесообразности дальнейшего развития и применения

Ключевые слова: нелинейная локация, операция пересечения, прямое вейвлет-преобразование

Применение средств нелинейной радиолокации позволяет решать широкий круг задач: поиск взрывных устройств с электронным управлением подрыва, радиомониторинг минных полей и участков местности с возможным местонахождением заржавевших бомб, фугасов, местоопределение диверсионно-разведователь-ных групп, поиск закладных устройств [1] и т.д. Проведенный анализ технических средств нелинейного радиолокационного зондирования и способов их применения позволил выявить в данной области ряд нерешенных до настоящего времени научных и технических задач, одними из которых являются, низкая помехоустойчивость и разрешающая способность нелинейных радиолокаторов (НРЛ).

Таким образом, целью работы является разработка метода повышения разрешающей способности и помехоустойчивости сигналов в НРЛ.

Особенностью предлагаемого метода является использование в приемнике локатора блока реализующего модифицированное прямое вейвлет-преобразование

Волков Алексей Витальевич - ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», канд. техн. наук, преподаватель, e-mail: volkovalexey1984@mail.ru

Питолин Владимир Михайлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 2238018

Панычев Сергей Николаевич - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, e-mail: pany4ev@mail.ru

Самоцвет Николай Андреевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8-951-871-87-04

осуществляется путем замены в подинтеграль-ном выражении скалярного произведения ( £(/) , у/(а, Ь, /) ) на скалярное пересечение (£ (/) п у (а, Ь/)), которое имеет вид: (£(/)пу(а, Ь, /)) = £(/)+у (а, Ь, - £(/)- у (а, Ь, .

Анализ работы [3] показал, что замена операции умножения на процедуру пересечение (Ъ |~| = х П у = \х + у| -\х - у| где х и у - входные величины произвольного вида или их дискретные значения в заданные моменты времени, ограничения на которые не накладываются) в радиотехнических операциях возможен при усло-

N N

вии ^ |хг-1 < ^ | уг-1, где х - входной сигнал, у -

г=1 г=1

опорный сигнал. Данное условие возможно обеспечить при введении в алгоритм обработки коэффициента включения К ( Ъп = х П у = |х + К • у - |х - К • у| ), оптимальный выбор которого позволит получить минимальную погрешность радиотехнического преобразования. Значение К в случае с ПВП определяется из условия допустимой погрешности при реконструкции исходного сигнала в результате обратного вейвлет-преобразования (ОВП).

Для заданного базиса у (а, Ь,/) и выбранного значения масштабного коэффициента а , при переходе к МПВП, целесообразно для подчеркивания свойства нечувствительности к синусоидальному сигналу для традиционного ПВП на определенном интервале формирования фазоманипулированного сигнала и сокращения вычислений ограничивать пределы интегрирования некоторыми «эффективными» размерами. С учетом вышеописанного проце-

дура МПВП будет осуществляться в соответствии с выражением:

Ь+с-с

Ж (а, Ь) = [ ( ^ (г) + К Ь, 4 )| -(?) - К -у (а, Ь, 4 .

Ь-с-а

S (4) - входной сигнал блока; Ж (а, Ь) - выходной сигнал блока; ^(а, Ь, 4) - базис, конструируемый с помощью масштабного коэффициента а и переносов Ь в пределах длительности принимаемого сигнала в виде:

ц/(а, Ь, 4 ) = —^  ^ 4 а

4- Ь

для действительной или мнимой части вейвлета Морле в виде:

^ ) =

j2лf 4

где 4 - время, f - частота, j - комплексная переменная;

К - постоянный множитель, удовлетворяющий неравенству К >> !5т , где Sm - амплитуда сигнала на входе блока;

с - постоянный множитель, удовлетворяющий неравенству с > 3.

Предлагаемая структурная схема обработки импульсного сигнала, реализующая разрешение сигнала по времени, представлена на рисунке 1.

ШГГУ

МПВП

СФ

Рис. 1. Структурная схема приемника импульсного сигнала на основе модифицированного ПВП

На рис. 2 и 3 при помощи прикладного пакета Mathcad проведено математическое моделирование обработки сигналов в элементах приемника. Эпюры рис. 1 иллюстрируют процесс обработки импульсного сигнала в элементах приемника нелинейного радиолокатора, а рис. 2 аналогичный процесс для случая, когда входные импульсы накладываются друг на друга.

О 100 200 300

Рис. 2. Процесс обработки сигнала в элементах приемника нелинейного локатора

Рис. 3. Процесс обработки двух сигналов в элементах приемника нелинейного радиолокатора

На рис. 2 и 3 (эпюра д) представлен предельный (наихудший) с точки зрения выигрыша в разрешении и потенциальной точности случай.

Из рис. 2 и 3 видно, на вход схемы воздействует импульс (эпюра а), который в результате МПВП (на эпюре б, представлен вейвлет Мор-ле) трансформируется в амплитудно-модулированный фазоманипулированный сигнал в составе четырех парциальных радиоимпульсов (эпюра в). В результате согласованной фильтрации на выходе фильтра имеет место автокорреляционная функция в виде центрального пика длительностью т и боковых лепестков (эпюра г), представляющая собой сжатый во времени сигнал. После детектирования в обнаружителе получаем огибающую автокорреляционной функции, которая представлена на эпюре д.

Для сравнения на рис. 2 и 3 показаны выходной сигнал согласованного фильтра для известного приемника (эпюра е), представляющий собой радиоимпульс ромбовидной формы, и его огибающая на выходе детектора обнаружителя (эпюра ж). Качественный анализ (срав-

а

2

е

нение) выходных сигналов для устройств, реализующего предлагаемый способ (эпюра д) и известный (эпюра ж), свидетельствует об очевидном выигрыше с точки зрения разрешающей способности и точности, за счет применения МПВП. В случае, когда парциальные импульсы (эпюра в), определяемые эффективной длительностью вейвлета Морле, укладываются на интервале длительности импульсного сигнала (эпюра а), выигрыш V ~ 4.

В связи с тем, что в НРЛ используются импульсные сигналы и уровни нелинейных откликов от объектов с нелинейными электрическими свойствами на гармониках невелики, то необходимо решать задачу повышения помехоустойчивости НРЛ.

Структурная схема приемника, реализующая два канала обработки сигнала представлена на рис. 4.

[ТТТТТУ | >-[1Утвтт|

|Нсф[—»Гд~|—НЩ!

Разрешающий канал 1 Помехоустойчивый канал 2

Рис. 4. Схема приемника, реализующего два канала обработки

Особенность реализации помехоустойчивого канала обработки заключается в использовании в приемнике НРЛ после блока МПВП детектора и двух блоков пересечения [3], включенных последовательно с элементами задержки. Каждый из этих блоков реализует процедуру гп = x П у = |x + у - |x - у (рис. 5) и обеспечивает снижение дисперсии шума. В целом же канал позволяет существенно ослабить нестационарные помехи типа импульсных и шумовых вспышек и обеспечивает свертку входного сигнала (рис. 2 и 3 эпюра в).

х

Рис. 5. Алгоритмическая схема реализации функциональной процедуры пересечение

На рис. 6 приведены эпюры иллюстрирующие процесс обработки сигналов и помех в помехоустойчивом канале, на фоне нормально распределенного шума.

О 100 200 300 «0 500 600

Рис. 6. Эпюры работы помехоустойчивого канала приемника НЛР на фоне нормально распределенного шума

На рис.6 (эпюра а) показан полезный сигнал в виде прямоугольного радиоимпульса единичной амплитуды - 1, короткоимпульсная помеха - 2, длинноимпульсная помеха - 3 и помеха типа «шумовая вспышка» - 4.

После прохождения через блок МПВП (эпюра б), детектирования (эпюра в) и обработки двух блоков пересечения выходной сигнал будет представлять свернутый полезный сигнал - 1 (эпюра ó), где помехи и шумы скомпенсированы. Для сравнения на эпюрах е и ж представлена обработка сигналов НРЛ известным методом.

Для количественной оценки эффективности предлагаемого приемника проведено определение статистических показателей качества. За показатели качества приняты: вероятность ложной тревоги Рлт , вероятность правильного обнаружения Роб , вероятность ошибки Рош .

Оценка указанных вероятностей производилась, как отношение числа положительных

- г>* п

исходов п к общему числу опытов N : P = —.

Зависимость вероятностей ложной тревоги от относительного порога обнаружения приведена на рис. 7:

Р

1

0.8 0.6 0.4 0.2

\

\

у' (. -

и..

пор

21

42

63

84

Рис. 7. Зависимость вероятности ложной тревоги от относительного порога обнаружения

Данная зависимость рассчитывалась относительно выражения: Рлт = /(ипор/Ош) , где

обозначено: ипор - значение порога, аш- сред-

неквадратическое значение шума на выходе исследуемой схемы. Кривая, обозначенная цифрой 1, характеризует предлагаемый приемник, а цифрой 2 - известный.

Оценка Роб проведена при фиксированных

для каждой схемы порогов обнаружения, обеспечивающих одинаковую вероятность ложной тревоги Рлт = 0,016 для сопоставления результатов. Зависимости вероятностей правильного обнаружения Р*0б = /(и / Ош) от относительного значения сигнала на входе Рлт = 0,016 представлены на рис. 8. Р. 1

0.8 0.6 0.4 0.2

U

с

а

и 1 2 3 4 5 6 7

Рис. 8. Зависимость вероятности правильного обнаружения от относительного значения сигнала на входе

На рис. 8 обозначено: 1 - Роб для предлагаемого способа обработки, 2 - Роб для известного. Зависимости Роб свидетельствуют о наличии потерь полезного сигнала в предлагаемом приемнике по сравнению с известным, что обусловлено алгоритмом работы.

Зависимости вероятностей ошибочного срабатывания в условиях импульсной помехи от отношения помеха/шум на входе приведены на рис. 9 и 10 в виде Р0ш = /Оип /ош) при Рлт = 0,016.

3

ÜS 0j6 М 02

/

У

f 1

U.

<J_

у ] 2 3 А 5 6 7

Рис. 9. Зависимость вероятности ошибки при приеме короткой помехи

0.2 0.6 0.4 0 2

/

t J

I

J 1 -А-

0 12 3 4 5 Рис. 10. Зависимости вероятности ошибки при приеме длинной помехи

Зависимости на рис. 9 и 10, соответствуют вероятности ошибки при приеме «короткой» и «длинной» помехи, где обозначено 1 - Рош предлагаемого приемника, 2 - известного.

Количественная оценка показателей качества помехоустойчивого канала показывает выигрыш примерно от 15 дБ до 22 дБ в зависимости от вида распределения помех.

Таким образом, полученные оценки и результаты моделирования подтверждают эффективность использования предлагаемого способа обработки импульсных сигналов в интересах улучшения разрешающей способности и повышения помехоустойчивости.

Литература

1. Вернигоров Н. С. Практические применения нелинейного локатора / Н. С. Вернигоров//Безопасность от А до Я. 1998. № 2-3. - С. 14-15.

2. Дьяконов В.П. Вейвлеты. От теории к практи-ке/В.П. Дьяконов. М.: СОЛОН - Пресс, 2004. - 100с.

3. Универсальный многофункциональный структурный элемент систем обработки информации / В.И. Горди-енко, С.Е. Дубровский, Р.И. Рюмшин, Д.В. Фенев// Радиоэлектроника. Изв. ВУЗов. 1998.- № 3. С. 12-20.

4. Волков, А. В. Синтез схемы дальномера-пеленгатора на основе процедур пересечения и объединения с обработкой сигнала во временной области /А.В. Волков, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2013. - Т. 9. - № 4. - С. 12-14

5. Оптимальный прием и обработка радиосигналов в нелинейном канале ВЧ-облучения для дистанционного снятия акустической информации / В.Б. Авдеев, С.Н. Па-нычев, Н.Г. Денисенко, Н.А. Самоцвет, М.С. Сковпин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. - № 5. - С. 94-98

6. Экспериментально-расчетный метод определения двухсигнальной избирательности цифровых радиоприемных устройств / В.М. Питолин, С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет, С.А. Акулинин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. -№.6.3. С. 45-48.

7. Самоцвет, Н.А. Анализ методов формирования сигналов и помех с заданными законами распределения параметров / Н.А. Самоцвет, В.М. Питолин, А.В. Волков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т.9. - №.5.1. - С. 34-36.

Воронежский государственный технический университет

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж

THE METHOD OF INCREASING THE RESOLVING CAPABILITY AND NOISE RESISTANCE

SIGNALS IN NONLINEAR RADAR

A.V. Volkov1, V.M. Pitolin2, S.N. Panychev3, N.A. Samotsvet4

'Ph.D, Tutor, Military scientific educational center of Military-Air forces "N.E. Zhukovsky and JU.A. Gagarin Military-Air

academy", Voronezh, Russian Federation e-mail: volkovalexeyl984@mail.ru 2Ph.D, Full Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation 3Ph.D, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: pany4ev@mail.ru 4Graduate Student, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation e-mail: csir.ntc.reb@gmail.com

The article is devoted to the actual problem of increasing the resolving power and noise immunity of pulsed signals by the means of nonlinear location. The solution of the problem is carried via the installation of the nonlinear locator of two channels for processing the pulse signal in the receiver. The first channel allows using the modified direct wavelet transformation (MPVP) based on the Morlet wavelet to increase the resolving power of the receiver.

A qualitative analysis of the output signals for devices implementing the proposed method indicates an obvious improvement in terms of resolving power and accuracy due to the use of MPVP. The second channel is implemented after the block of MPVP and consists of a detector and two crossing blocks, connected in series with the delay elements, which ensures the convolution of the input partial impulses into one. The quantification of the quality of the noise-proof channel shows a gain of about 15 dB to 22 dB, depending on the type of interference distribution. The method for processing pulse signals and the presented circuit are original outcomes of the research. The degree of their study and research makes it possible to draw an unambiguous conclusion about the reliability, efficiency and appropriateness of further development and application of the device

Key words: nonlinear detection, crosscut procedure, direct wavelet-decomposition

References

1. Vernigorov N. S., "Practical applications of a nonlinear locator" ("Prakticheskie primenenija nelinejnogo lokatora "), Bezopasnost'ot A do Ja 3 (1998): 14-15.

2. Djakonov V.P., "Wavelet From the theory to practice" ("Vejvlety. Ot teorii kpraktike"), Solon - Press, (2004): 100.

3. Gordienko V.I., Dubrovskij S.E., Rjumshin R.I., Fenev D.V., "Universal multipurpose structural element of systems of information processing" ("Universal'nyj mnogofunkcional'nyj strukturnyj jelement sistem obrabotki informacii"), Radioelektronika, (1998) 12-20.

4. Volkov A. V., Pitolin V.M., Samocvet N.A., "Synthesis of the scheme of a range finder direction finder on the basis of procedures of crossing and association with processing of a signal in a time domain" ("Sintez shemy dal'nomera-pelengatora na os-nove procedur peresechenija i obedinenija s obrabotkoj signala vo vremennoj oblasti"), Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 9 (2013) 12-14.

5. Panychev S.N., Avdeev V.B., Denisenko N.G., Samocvet N.A., Skovpin M.S., "Optimal reception and processing of radio signals in the nonlinear channel of VCh-radiation for remote removal of acoustic information" ("Optimal'nyj priem i obrabot-ka radiosignalov v nelinejnom kanale VCh-obluchenija dlja distancionnogo snjatija akusticheskoj informacii"), Vestnik Voronezh-skogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 10 (2014): 94-98.

6. Samocvet N.A., Pitolin V.M., Panychev S.N., Akulinin S.A., "Settlement and tool method of the analysis ofpassing of casual process through a nonlinear chain" ("Jeksperimental'no raschetnyj metod opredelenija dvuhsignal'noj izbiratel'nosti cifrovyh radiopriemnyh ustrojstv"), Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 9 (2013): 45-48.

7. Samocvet N.A., Volkov A.V., Panychev S.N., Pitolin V.M., "Experimental calculation method of determination of bisignal selectivity of digital radio-receiving devices " ("Analiz metodov formirovanija signalov i pomeh s zadannymi zakonami raspredelenijaparametrov"), Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 9 (2013): 34-36.