СПОСОБ ДВУХТАКТНОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
METHOD OF TWO-STROKE SPECTRAL PROCESSING OF ADDITIONAL SIGNALS

Изобретение относится к системам, использующим отражение или вторичное излучение радиоволн, например к радиолокационным, в которых для передачи импульсов используется фазовая модуляция частоты. Заявляемый способ может использоваться в устройствах обработки радиолокационных сигналов для улучшения распознавания широкополосных сигналов на фоне шумов.
Развитие современных радиолокационных систем неразрывно связано с применением сложно-модулированных зондирующих сигналов. Применение сложных сигналов способствует повышению энергетического потенциала, помехоустойчивости, скрытности и электромагнитной совместимости радиолокационных систем, а также позволяет достичь высоких показателей разрешающей способности по информативным параметрам полезных сигналов [Радиоэлектронные системы: основы построения и теория. Справочник. / Ширман Я.Д., Лосев Ю.И., Минервин Н.Н., Москвитин С.В., Горшков С.А., Леховицкий Д.И., Левченко Л.С. / Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: ЗАО «МАКВИС», 1998, стр.108]. Среди многообразия сложных сигналов нашли широкое применение сигналы с фазокодовой манипуляцией (ФКМ сигналы). А в связи с развитием статистических методов анализа и синтеза устройств обработки сигнала первостепенное значение для характеристики зондирующего сигнала приобрела автокорреляционная функция (АКФ).
При приеме отраженные сигналы сжимаются в короткие импульсы в фильтре сжатия. Как правило, для этого используется согласованный фильтр (оптимальный фильтр). За длительность сжатого ФКМ сигнала принимается ширина основного пика его АКФ, однако за его пределами наблюдаются побочные максимумы (боковые лепестки). Основной пик является полезным сигналом и используется для дальнейшей обработки, а боковые лепестки являются помехами, которые могут быть приняты за ложные цели, поэтому их уровень должен быть минимален.
Один из подходов, позволяющий минимизировать боковые лепестки, - это использование пары сигналов, промодулированных дополнительными последовательностями [Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985 стр.72]. Такие сигналы одинаковой длины, имеющие боковые лепестки своих АКФ, равные по модулю и противоположные по знаку, называют дополнительными.
В качестве прототипа выбран способ подавления боковых лепестков автокорреляционной функции широкополосного сигнала [патент RU №2335782, МПК G01S 7/36, 2006], в котором производят излучение импульсных ФКМ сигналов с изменением кода фазовой манипуляции от периода к периоду повторения зондирующих импульсов (зондирования), выполняют прием отраженных сигналов и их обработку. При этом в каждом периоде зондирования излучают один из двух согласованных друг с другом ФКМ сигналов, у которых амплитуды боковых лепестков автокорреляционных функций равны по модулю, но имеют противоположные знаки, а основные пики автокорреляционных функций равны. При приеме отраженных сигналов производят их сжатие (оптимальную фильтрацию) отдельно для каждого периода зондирования, суммируют результаты сжатия с задержкой первого результата относительно второго на период зондирования в соответствии с временным положением согласованных друг с другом ФКМ сигналов. Если ФКМ сигналы были согласованы, то уровень боковых лепестков результата суммирования будет равен нулю, а полезный сигнал (основной пик) увеличится в два раза.
Недостаток данного способа заключается в сильной зависимости результата суммирования от доплеровской добавки к частоте отраженного сигнала. При нулевом доплеровском смещении сигналы, принятые в разных периодах излучения, складываются, взаимно компенсируя боковые лепестки своих АКФ. Наличие же доплеровской добавки от подвижной цели приводит к тому, что между двумя сигналами, принятыми в разные периоды зондирования, возникает фазовый сдвиг, приводящий к ошибкам суммирования отсчетов двух сжатых сигналов и увеличению уровня боковых лепестков.
Технический результат заявляемого изобретения направлен на повышение разрешающей способности радиолокационных систем.
Технический результат заявляемого способа двухтактной спектральной обработки дополнительных сигналов достигается тем, что в нем в отличие от прототипа излучение, прием и обработку ФКМ сигналов осуществляют за два тактовых интервала (ТИ). При этом в одном из двух ТИ в каждом периоде зондирования излучают один и тот же ФКМ сигнал, а в другом из двух ТИ используют два ФКМ сигнала, излучение которых производят поочередно последовательно от периода к периоду зондирования. После получения отсчетов результатов сжатия вместо их суммирования в обоих ТИ для каждого полученного элемента дальности выполняют N-точечное дискретное преобразование Фурье (ДПФ) с получением спектральных отсчетов (дискретного спектра). Полученные для каждого ТИ дискретные спектры сравнивают, в результате чего выделяют составляющие, относящиеся к основным пикам (полезному сигналу).
k
Сущность изобретения состоит в том, что выполняют спектральную обработку дополнительных сигналов, в качестве которых используют два согласованных друг с другом ФКМ сигнала, у которых амплитуды боковых лепестков АКФ равны по модулю, но имеют противоположные знаки, а основные пики АКФ равны. При этом излучение, прием и обработку ФКМ сигналов осуществляют за два тактовых интервала (ТИ), в которых в каждом периоде зондирования излучают один из двух ФКМ сигналов. В одном из двух ТИ в каждом периоде зондирования излучают один и тот же ФКМ сигнал, а в другом из двух ТИ используют два ФКМ сигнала, излучение которых производят поочередно последовательно от периода к периоду зондирования. В каждом ТИ количество периодов зондирования составляет N=2, где k - целое положительное число. При приеме отраженных сигналов производят их сжатие (оптимальную фильтрацию) отдельно для каждого периода зондирования с получением отсчетов результатов сжатия.
Для каждого ТИ осуществляют накопление отсчетов результатов сжатия, которые после окончания текущего ТИ образуют двумерную матрицу, n-ая строка которой будет содержать отсчеты, полученные в n-ом периоде зондирования (n=1, 2, 3, …, N). Каждый столбец данной матрицы будет содержать отсчеты, относящиеся к фиксированному элементу дальности. Для каждого полученного элемента дальности выполняют N-точечное дискретное преобразование Фурье (ДПФ) с получением спектральных отсчетов (дискретного спектра). Для каждого ТИ получают соответствующий дискретный спектр. После этого полученные для двух ТИ дискретные спектры сравнивают. Спектральные отсчеты, относящиеся к основным пикам (полезному сигналу), в обоих дискретных спектрах будут иметь одинаковые номера, а так как во втором ТИ используют оба дополнительных сигнала, то спектральные отсчеты, относящиеся к боковым лепесткам (помехам), будут сдвинуты друг относительно друга ровно на половину одного ТИ или на N/2. Таким образом, в результате сравнения выделяют составляющие, относящиеся к основным пикам (полезному сигналу).
На фиг.1 изображено устройство для двухтактной спектральной обработки принятых отраженных сигналов.
Устройство состоит из управляемого оптимального фильтра (УОФ) 1, первого оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 2, блока N-точечного ДПФ 3, второго ОЗУ 4, устройства сравнения (УС) 5. Вход УОФ 1 является входом устройства, на который поступают отраженные сигналы. Выход УОФ 1 соединен с входом первого ОЗУ 2. Выход первого ОЗУ 2 соединен с входом блока N-точечного ДПФ 3, выход которого соединен с входом второго ОЗУ 4 и со вторым входом УС 5. Выход второго ОЗУ 4 соединен с первым входом УС 5. Выход УС 5 является выходом устройства.
Двухтактная спектральная обработка принятых отраженных сигналов реализуется устройством следующим образом.
В обоих ТИ в каждом периоде зондирования УОФ 1 согласован с используемым в данном периоде излученным ФКМ сигналом и производит сжатие соответствующего ему отраженного сигнала.
В первом ТИ в N периодах зондирования используется один и тот же ФКМ сигнал из пары дополнительных сигналов. После сжатия принятых отраженных сигналов первое ОЗУ 2 выполняет построчное сохранение отсчетов результатов сжатия, при этом отсчеты, полученные в n-ом периоде зондирования, будут находиться в n-ой строке (n=1, 2, 3, …, N), а в каждом столбце будут находиться N отсчетов, относящихся к фиксированному элементу дальности. После заполнения первого ОЗУ 2 N отсчетов из каждого столбца передаются в блок TV-точечного ДПФ 3, который вычисляет спектральные отсчеты для каждого элемента дальности. После этого ОЗУ 4 сохраняет полученные спектральные отсчеты, которые также поступают на второй вход УС 5 для последующего сравнения.
Во втором ТИ в N периодах зондирования используются оба ФКМ сигнала из пары дополнительных сигналов. После сжатия принятых отраженных сигналов первое ОЗУ 2 выполняет построчное сохранение отсчетов результатов сжатия. После заполнения первого ОЗУ 2 N отсчетов из каждого столбца передаются в блок N - точечного ДПФ 3, который вычисляет спектральные отсчеты для каждого элемента дальности.
Спектральные отсчеты, полученные для каждого элемента дальности во втором ТИ, поочередно передаются на второй вход УС 5 и на вход второго ОЗУ 4, замещая сохраненные в нем отсчеты, относящиеся к текущему элементу дальности. При этом на первый вход УС 5 из ОЗУ 4 подаются спектральные отсчеты, полученные в предыдущем ТИ. УС 5 осуществляет сравнение спектральных отсчетов (дискретных спектров), полученных в двух ТИ. Например, УС 5 определяет наличие равенства амплитуд соответствующих спектральных отсчетов из двух дискретных спектров. В случае равенства УС 5 отмечает равные спектральные отсчеты, как составляющие основного пика, в противном случае - бокового лепестка, что позволяет нивелировать его наличие. Результатом работы УС 5 являются дискретные спектры, синтезированные из составляющих, относящихся только к основным пикам (полезному сигналу).
Для осуществления работы схемы и получения результата необходимо осуществить зондирование в течение как минимум двух ТИ.
По окончании двух ТИ работа схемы повторяется. При этом на первый вход УС 5 подаются спектральные отсчеты, полученные в предыдущем ТИ.
изл
На фиг.2 представлены временные диаграммы излучаемых, отраженных и сжатых сигналов для двух ТИ. На диаграммах 1 и 4 изображены сигналы A, В, излучаемые с периодом излучения Т. На диаграммах 2 и 5 изображены отраженные сигналы A′, B′, задержанные на время величиной τ и поступающие на вход УОФ 1. На диаграммах 3 и 6 изображены сжатые сигналы на выходе УОФ 1.
изл
На фиг.3-8 изображены графики дискретных амплитудных спектров |S(f)| по модулю, поясняющие принцип работы УС 5 при обработке основного пика и бокового лепестка. На фиг.3, 4 показано взаимное расположение спектральных отсчетов, относящихся к основному пику и боковому лепестку для первого ТИ, на фиг.5, 6 - для второго ТИ. На фиг.7, 8 показаны результаты сравнения для основного пика и бокового лепестка. Смещение спектральных отсчетов, относящихся к боковому лепестку, соответствует его сдвигу на частоту f, равную 0,5/Т Гц.
d
На графиках: f - частота доплеровской добавки;
изл
Т - период излучения (зондирования).
Таким образом, использование дополнительных сигналов и их спектральной обработки в течение как минимум двух тактовых интервалов позволяет устранить влияние боковых лепестков на результат обработки. В радиолокационных системах это значительно повышает их разрешающую способность.
Промышленная применимость данного способа возможна, исходя из того, что все используемые операции (умножение, суммирование и ДПФ) практически реализуемы в цифровой технике, а также программным способом в вычислительной технике.