Способ дискриминаторного измерения задержки отраженного импульса
Method of discriminative measurement of the reflected pulse delay

Изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано для обнаружения и измерения расстояний до разного рода подвижных и неподвижных объектов при реализации в РЛС зондирующего составного ЛЧМ импульса с псевдослучайными нвчальными частотами и фазами. Способ может быть использован в радиолокации и гидролокации, в тех областях и сферах деятельности, где необходимо измерять расстояния до недоступных объектов. Временной дискриминатор - это устройство, вычисляющее разность между измеряемой и ожидаемой величиной задержки отраженного сигнала.
Достигаемый технический результатсостоит в том, что предварительно осуществляется измерение реальной нелинейной временной дискриминаторной характеристики (ДХ) составного ЛЧМ фильтра сжатия, ее квантование с заданным шагом в пределах одного такта дискретизации входного сигнала, вычисление тангенсов наклона реальной ДХ в точках квантования, формирование линейной эталонной ДХ и запоминание этих характеристик и значений тангенсов; затем в процессе штатной работы осуществляется измерение по каждой цели реальной дискриминаторной оценки задержки (ДОЗ), вычисление квантованного значения этой ДОЗ, проводится ассоциативный выбор по реальной ДОЗ соответствующего эталонного значения ДОЗ, его уточнение с использованием значения тангенса наклона ДХ и расчет по уточненному значению ДОЗ искомого абсолютного значения задержки; при этом обеспечивается вычисление ДОЗ, не содержащей нелинейных ошибок, ДХ становится линейной и обеспечивается вычисление полного значения измеряемой задержки, а также пикового значения амплитуды сигнала с повышенной методической точностью.
Известны способы измерения дальности до цели, использующие дискриминаторные методы измерения времени прихода отраженного от цели сигнала (см. Л1. Радиоавтоматика: Учеб. пособие для студ. вузов спец. «Радиотехника» / В.А. Бесекерский, А.А. Елисеев, А.В. Небылов и др.; Под ред. В.А. Бесекерского. - М.: Высш. шк., 1985. - 271 с.). Основным элементом такого дискриминатора является преобразователь временного интервала между отраженным от цели импульсом и зондирующим импульсом в двоичный код, который используется для вычисления дальности до цели и замыкания петли обратной связи в системе автоматического сопровождения по дальности (АСД). Такой дискриминатор может успешно работать лишь в следящей системе АСД.
Известны способы и устройстваслежения за временной задержкой сигнала (см. Л2._СПОСОБ СЛЕЖЕНИЯ ЗА ВРЕМЕННОЙ ЗАДЕРЖКОЙ СИГНАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ, Патент РФ №2157593, H04L 7/02, Н04В 1/10, опубл. 10.10.2000, авторы Гармонов А.В.; Манелис В.Б.; Савинков А.Ю.). Данное изобретение используется в цифровых системах связи. Временное слежение в системах цифровой радиосвязи строится на основе формирования оценки временной ошибки синхронизации и последующей ее коррекции. Для формирования оценки временной ошибки обычно используется временной дискриминатор, оценивающий производную корреляционной функции полезного сигнала в заданные моменты времени. Такой дискриминаторможет использоваться только в системах слежения за задержкой с обратной связью.
Известны дискриминаторы, вычисляющие временное смещение измеряемого сигнала относительно ожидаемого времени по двум или трем его амплитудным отсчетам в дискретные моменты времени (см. Л3. "Применение цифровой обработки сигналов" под ред. Э. Оппенгейма, М, 1980 г., см. Л4. "Цифровой дискриминатор задержки", патент РФ №2059254, G01R 23/02, опубл. 27.04.1996, автор Наумов С.В.).
Этотспособ измерения дает хорошие результаты тогда, когда измеряемый объект - например, огибающая продетектированного импульса, или амплитудно-частотные характеристики смежных фильтров, имеют гладкий характер. Несмотря на это дискриминаторные характеристики в рабочей области, как правило, имеют определенную нелинейную зависимость, что является недостатком используемых алгоритмов. Кроме того, дискретизированный по времени сложно-модулированный сигнал формирует максимальную (пиковую) амплитуду на выходе согласованного фильтра при целочисленной задержке отраженного импульса. При нецелочисленной (дробной) задержке выходные амплитуды падают непропорционально. В связи с этим появляется ошибка измерения временного положения сигнала, что также является недостатком при однозначном использованииэтого способа. При измерении задержки по двум отсчетам отсутствует информация о возможности вычисления пикового значения амплитуды.
При реализации сложного составного ЛЧМ сигнала с псевдослучайными начальными частотами и начальными фазами дискриминаторная характеристика (ДХ), имеет нелинейный характер, вид которого изображен на фиг. 1 и 2. Этот вид ДХ является следствием неопределенной зависимости изменения амплитуд сжатого импульса во временных отсчетах (тактах дискретизации) при смещении входного сигнала в пределах одного такта дискретизации. При этом следует отметить два существенных фактора:
- максимальное пиковое значение амплитуды сжатого импульса всегда располагается в такте дискретизации, номер которого соответствует целочисленному значению кода задержки Nз, выраженному в числе тактов дискретизации сигнала на входе фильтра;
- для составного ЛЧМ сигнала с неизменными основными параметрами: длительностью ЗИ, девиацией частоты, частотой дискретизации и числом элементарных импульсов в ЗИ, единожды измеренная ДХ в силу цифрового характера аппаратуры обработки сохраняет свою форму неизменной на протяжении всего времени эксплуатации, причем эта форма остается неизменной даже при ограничении длительности ОИ, которое вызывается уменьшением дальности до цели (см. фиг. 1 и 2).
В связи с особым видом временной ДХ данного фильтра сжатия однозначное использование известных формул для расчета дискриминаторных оценок не представляется возможным.
Целью данного изобретения является разработка способа получения квазиэталонной дискриминаторной характеристики оценки времени задержки отраженного импульса при нелинейном характере реальной дискриминаторной характеристики и вычисления абсолютного значения измеряемой задержки сповышенной точностью, а также измерение пикового значения амплитуды сигнала.
Поставленная цель достигается способом ассоциативного выбора по реально измеренному значению дискриминаторной оценки задержки (ДОЗ) соответствующего значения ДОЗ из эталонной ДХи уточнение этого значения путем дополнительных вычислений.
з
д
0
Для этого в способе-прототипе, предназначенном для оценки положения пика отраженного сигнала по дальности в режимах обнаружения и сопровождения и заключающемся в вычислении разности модулей двух амплитуд и делении ее на сумму этих модулей, для достижения поставленной цели согласно настоящему изобретениюреализуется предварительный этап, в процессе которого вычисляется реальная временная дискриминаторная характеристика (ДХ) составного ЛЧМ фильтра сжатия путем первоначального задания целочисленной задержки N отраженного импульса и последующего изменения задержки с малым шагомр=1/P квантования задержки от нуля до единицы интерваладискретизации сигнала Т, с вычислением безразмерных дискриминаторных оценок задержки (ДОЗ) dT пo формуле:
д
0p
m-1
m+1
p
где p - номер точки (шага) квантования на интервале дискретизации Т,m - номер отсчета локального максимума (ЛМ) в амплитудном рельефе сжатого сигнала на выходе фильтра сжатияот начала приема, причем (см. фиг. 4) знак плюс перед dT ставится тогда, когда соседняя с максимумом амплитуда слева (A) больше соседней амплитуды справа (А), иначе - ставится знак минус; кроме того вычисляются тангенсы углов наклона ДХ tgα в точках квантования интервала дискретизации по формуле:
0p
p
ЭТ
Д
Д
измеренные заранее значения реальной временной ДХ преобразуются в порядковые номера (адреса), по которым в постоянное или оперативное запоминающее устройство (ЗУ) заносятся и там хранятся реальные значения dT, тангенсы углов наклона ДXtgα и точные (эталонные) значения dt ДХ; причем эталонная ДХ представляет собой прямую, идущую под углом 45° от значения -0,5Т к значению +0,5Т.
m
m±1
m±1
n
nкв
nкв
уточн
C
з
В процессе штатной работы в режиме сопровождения (см. фиг. 5) по формуле (1) и по вновь измеренным значениям амплитуд А, А, A вычисляется ДОЗdT, от которой выбирается ближайшее слева квантованное значение dT, где n - номер шага квантования. Квантованное значение этой ДОЗdT является адресом, по которому из ЗУ выбирается соответствующее истинное значение ДОЗdt; при этом в режиме сопровождения проводится вычисление уточненного значения ДОЗ dt с использованием заданной дробной части Δ заданной задержки N по формулам:
з
з.кв
Д
C
где dN - остаток заданной задержки; dN - квантованное значение остатка заданной задержки, выраженное в долях интервала дискретизации T; значение Δ может поступать в составе целеуказания.
В режиме обнаружения (см. фиг. 6)проводится уточнение значения ДОЗ с использованием остатка измеряемой задержки Δс учетомтангенса угла наклона ДХ по формулам:
Зизм
уточн
при этом измерение абсолютного значения задержки N в режимах обнаружения и сопровождения осуществляется путем экстраполяции полного измеренного значения задержки m уточненным значением ДОЗ dt по формуле:
где m - номер отсчета, в котором находится амплитуда ЛМ сжатого ОИ.
Исходя из линейной зависимости амплитуды сжатого импульса в пределах одного такта дискретизации (см фиг. 3) пиковое значение амплитуды вычисляется по формуле:
лм
пик
где А - амплитуда ЛМ, А - искомое значение амплитуды пика.
При этом обеспечивается вычисление дискриминаторной оценки задержки, не содержащей нелинейных ошибок, ДХ становится линейной и обеспечивается вычисление полного значения измеряемой задержки и пиковой амплитуды сигнала с повышенной методической точностью;
и
Для наглядного представления вида временных дискриминаторных характеристик на фиг. 1 и 2 показаны реальные и идеальные (эталонные) ДХ составного ЛЧМ фильтра сжатия с указанными параметрами отраженного импульса с полной длительностью Т=40 мс и при таком же зондирующем импульсе отраженного импульса с укороченной длительностью Ти=4 мс из-за задержки подальности. Видно, что при обеих длительностях сигналов их дискриминаторные характеристики идентичны.
д
На фиг. 3 показан характер изменения амплитуды главного лепестка (ГЛ) сжатого импульса в пределах одного такта дискретизации. Видно, что ГЛ имеет вид равнобедренного треугольника. Пик сигнала совпадает с целочисленным номером такта дискретизации Т (номер смещения n=0).
На фиг. 4 представлен график, поясняющий расположение амплитуд ОИ и искомого пика амплитуды относительно нуля дискриминатора на выходе фильтра сжатия в тактах дискретизации.
уточн,
д
Д
д
Д
Д
На фиг. 5 изображен график, поясняющий процедуру вычисления дискриминаторной характеристики и тангенсов углов наклона на предварительном этапе и вычисления оценки задержки dtв режиме сопровождения, на котором толстыми линиями со стрелками условно отображается порядок действий при измерении и вычислении времени задержки ОИ. По горизонтальной оси отложены значения заданных задержек Тз за вычетом целой части (Nз - ц.ч. Nз)Т, т.е. отложены дробные части задержки с шагом квантования, например, 0,1Т, а именно - (0; 0,1; 0,2; … 0,9; 1)Т. По вертикальной оси отложены дискриминаторные оценки измеряемой задержки в пределах от -0,5Т до +0,5Т.
уточн,
На фиг. 6 изображен аналогичный график, поясняющий процедуру вычисления дискриминаторной оценки задержки dt в режиме обнаружения.
На фиг. 7 в качестве примера одного из возможных вариантов реализации этого способа приведенаупрощенная блок-схема дискриминатора.
На фиг. 7 обозначено:
1 - коммутатор амплитуд;
2 - блок сравнения амплитуд;
3 - вычитатель амплитуд;
4 - сумматор амплитуд;
5 - делитель;
6 - квантователь;
7 - шифратор;
8 - запоминающее устройство (ЗУ);
9 - вычитатель;
10 - делитель;
11 - сумматор;
12 - делитель;
13 - сумматор-вычитатель;
14 - вычитатель;
15 - умножитель.
Работает дискриминатор следующим образом.
Следует сразу заметить, что это устройство работает в трех режимах: подготовительном, в режиме сопровождения и в режиме обнаружения. В разных режимах работа некоторых блоков отличается, некоторые цепи в каких-то режимах могут неиспользоваться. Всем эти управляет специальный блок управления и синхронизации, который связан со всеми изображенными блоками. Ввиду громоздкостиполного отображения всех его связей и подробного описания временной диаграммы работымы решили его не отображать и ограничиться сжатым описанием, но как нам представляется достаточным для понимания принципа работы устройства, реализующего данный способ дискриминаторной оценки временной задержки отраженного сигнала.
д
0
з
з
Итак, заранеепутем моделирования на отдельном компьютере или на данном устройстве реализуется этап предварительного вычисления реальной дискриминаторной характеристики. Этот этап заключается в том, что на вход фильтра сжатия подается отраженный импульс с задержкой Nз, которая сначала задается целочисленной величиной, а затем изменяется с малым шагом квантования 1/Р такта дискретизации Т, например, с шагом 1/10, как показано на горизонтальной оси фиг. 5. После каждого цикла задания задержки с выхода фильтра сжатия снимаются отсчеты амплитуды локального максимума (ЛМ) Аm и соседних амплитуд Аm-1, Аm+1. В блоке сравнения 2, осуществляется сравнение амплитуд Аm-1 и Аm+1, и из них определяется наибольшая амплитуда, которая через коммутатор 1 по команде от блока 2 вместе с амплитудой ЛМ Am передается в вычитатель3 и в сумматор 4, с выходов которых коды поступают в блок 5 деления. Результату деления, вычисленному по формуле (1), приписывается знак плюс или минус, который вырабатывается в блоке сравнения, как поясняется на фиг. 4, по принципу: если Аm-1>Аm+1, то знак плюс, если Аm-1≤Аm+1, то знак минус. Результат деления - безразмерная дискриминаторная оценка задержки dТреальной ДХ, заноситсяв ЗУ8в соответствии с квантованным в блоке 6 значением p(N - ц.ч. N)/P (р=0÷1), и сформированным шифратором 7 кодом адреса.
Примечание. Для облегчения визуального восприятия алгоритма действий при вычислениях ДОЗ на фиг. 5 и бреальная ДХ преднамеренно изображена с большими нелинейностями.
p
0p
0p-1
ЭT
Кроме того, одновременно вычисляются значения тангенсов tgα наклона измеряемой ДХ путем вычисления в вычитателе 9 разностей значений dT-dT и деления их на шаг квантования 1/Р в делителе 10. Полученные таким образом значения ДОЗ и тангенсов наклона ДХ заносятся в ЗУ. Их значения являются константами, так как зависят только от основных неизменяемых параметров зондирующего сигнала и могут использоваться, например, при контроле устройства. Рядом с этими данными хранятся рассчитанные заранее точные (эталонные) значения dt ДХ. Эталонная ДХ представляет собой прямую, идущую под углом 45° от значения -0,5 к значению +0,5. Записанные в ЗУ 8реальнаяДХ, тангенсы наклона и эталонная ДХ хранятся постоянно. После записи их в ЗУ 8 подготовительный этап заканчивается.
д
n
nкв
n
ЭТ
n
nкв
с
уточн
В штатном режиме сопровождения для обеспечения успешного функционирования временного дискриминатора фильтр сжатия должен работать по целеуказаниям, которые выражаются значениями ожидаемых задержек Nз отраженных импульсов в тактах дискретизации Т, с которыми от фильтра сжатия на вход дискриминаторапоступают амплитуда ЛМ Am, и соседние амплитуды Am-1, Аm+1. По формуле (1) на выходе делителя 5 сформируетсязначение ДОЗdT. А в квантователе 6 сформируется с шагом 1/Р значение ДОЗdT=pdT/P. Это значение преобразуется шифратором 7 в адрес, по которому из таблицы эталонных значений dt, хранящейся в ЗУ 8, выбирается близкое кистинному значение dt ДОЗ, неимеющее нелинейных ошибок. На фиг. 5 величины dT и dT отмечены толстыми вертикальными стрелками с координатами по оси абсцисс ~0,87 и p/Р=0,8 соответственно. Для повышения точности проводится линейная экстраполяция измеренного значения dt ДОЗ с использованием дробной части Δ, вычисляемой по формуле (4) и поступающей вместе с целеуказанием в блок 11, после чего в нем вычисляется dt по формуле (3).
уточн
Примечание. Выражение (3) имеет место в силу равнобедренности прямоугольного треугольника с катетами [dt-dt] и [0,87-0,8].
уточн
Затем в блоке 13, куда от блока 11 передается значение dt, вычисляется измеренное абсолютное значение задержки Nз изм по формуле (8), при этом использование уточненного значения ДОЗ, не содержащего нелинейных ошибок, обеспечивает вычисление полного значения задержки ОИ с повышенной точностью. Значение Nз изм поступает на выход устройства.
уточн
уточн
В режиме обнаружения временной дискриминатор функционирует без предварительного целеуказания. Используются только текущие измеренные значения амплитуд Am, Аm-1, Аm+1 и код m временного положения ЛМ. Как и в сопровождении, вычисляются разность и сумма амплитуд, их отношение dTn и dTnкв. По шифрированному коду dTnкв в блоке 7 вырабатывается адрес, по которому считываются значение ДОЗ dt и тангенс tgα, которые поступают соответственно в блоки 11 и 12, В блоке 12 производится вычисление величины Δ по формуле (7), а в блоке 11 - вычисление dt. Затем в блоке 13, куда от блока 11 передается значение dt, вычисляется измеренное полное значение задержки Nз изм по формуле (8), при этом использование уточненного значения ДОЗ, не содержащего нелинейных ошибок, обеспечивает вычисление полного значения задержки ОИ с повышенной методической точностью.
Значение Nз изм поступает на выход устройства.
уточнн
пик
Пиковое значение амплитуды сжатого ОИ достаточно просто рассчитывается по измеренному значению ДОЗ dt и измеренной амплитуде ЛМ, так как форма ГЛ сжатого сигнала не зависит ни от длительности ОИ, ни от значения доплеровского смещения, а также независит от случайныхначальных частот и фаз. На фиг. 3 видна линейная зависимость амплитуды сигнала от временного смещения в пределах одного такта дискретизации от -0,5 до 0 и от 0 до +0,5 Нормированный треугольник на фиг. 3 имеет пиковое значение в вершине А=1, а в основании - Аосн=0,8.
пик
лм
уточнн
лм
уточнн
ПИК
лм
Из подобия треугольников (А_0_Аосн) и (А_(0,5-dt,)_Аосн) имеем: А/(0,5-dt)=А/0,5, где А - измеренная амплитуда ЛМ. Из этого выражения вытекает формула (9) для определения амплитуды пика.
В подтверждение достижения поставленной цели при реализации данного способа дискриминаторного измерения задержки отраженного импульса было проведено моделирование с использованием системы Matlab.
При моделировании были взяты следующие исходные параметры:
ЗИ
п
ЗИ
- длительность составного ЗИ и интервала приема отраженного импульса Т=Тпр=40 мс, период повторения ЗИ Т=2Т=80 мс;
дев
- значение полной девиации частоты ЗИ F=0,5 МГц;
д
- частота дискретизации ОИ и частота следования комплексных сигналов на выходе приемника F=1 МГц (такт Тд=1 мкс);
- число элементарных ЛЧМ импульсов (ЭИ) в ЗИN=2000;
ЭИ
ЗИ
эи
- длительность ЭИ T=T/N, Т=20 мкс;
девЭИ
- значение девиации частоты ЭИ F=300 кГц;
ЗИ
зи
д
- число каналов дальности N=TF=40000.
зи
дев
За счет девиации частоты коэффициент сжатия сигнала (база сигнала) составила значение Б=ТF=40000.
ОИ
сж
зИ
В согласованном фильтре отраженный импульс с длительностью Т=40 мс сжимается до длительности Т=2Т/Б=2 мкс, что может являться оценкой разрешающей способности по дальности. При моделировании задавались разные значения задержки и доплеровской частоты сигнала на входе фильтра сжатия и проводились измерения задержки.
Результаты моделирования представлены графиками дискриминаторных характеристик при полной длительности отраженного импульса на фиг. 1 и при укороченной длительности на фиг. 2, графиком формы вершины главного лепестка сжатого составного ЛЧМ импульса на фиг. 3 и результатами сравнения заданных и измеренных задержек, приведенные в таблице 1
Ниже дана оценка технической реализации этого способа.
Оценка выполнена при указанных выше параметрах сигнала и обработки.
Число действительных арифметических операций Q при вычислении дискриминаторной оценки задержки и абсолютного значения задержки одного отраженного импульса на выходе фильтра сжатия составит ориентировочно не более 20 арифметических операций. Если предположить, что среди 160000 каналов дальности окажется одновременно 2000 локальных максимумов целей, что маловероятно, то на все вычисления уйдет 40000 операций.
Эта обработка по сравнению с объемом вычислений в фильтре сжатия несравнимо мала. Если фильтр сжатия выполняется на программируемых интегральных микросхемах (ПЛИС) разработки фирмы Xilinx (США)типа Virtax-7 XC7VSX1140T, где суммирование двух действительных 16-разрядных чисел реализуется с тактом 5 нс, то для всех дискриминаторных вычислений потребуется время Т=40000*5 нс=200 мкс. При допустимой длительности всей обработки, равной длительности сигнала 40 мс, эта обработка составляет 0,5%. То есть, данная обработка не имеет проблем в ее практической реализации.
Таким образом, результаты моделирования и оценки технической реализации показывают, что предлагаемый способ, заключающийся в том, что предварительно осуществляется измерение реальной нелинейной временной дискриминаторной характеристики (ДХ) составного ЛЧМ фильтра сжатия, ее квантование с заданным шагом в пределах одного такта дискретизации входного сигнала, вычисление тангенсов наклона реальной ДХ в точках квантования, формирование линейной эталонной ДХ и запоминание этих характеристик и значений тангенсов; затем в процессе штатной работы осуществляется измерение по каждой цели реальной дискриминаторной оценки задержки (ДОЗ), вычисление квантованного значения этой ДОЗ, проводится ассоциативный выбор по реальной ДОЗ соответствующего эталонного значения ДОЗ, егоуточнение с использованием значения тангенса наклона ДХ ирасчет по уточненному значению ДОЗ искомого абсолютного значения задержки; при этом обеспечивается вычисление ДОЗ, не содержащей нелинейных ошибок, ДХ становится линейной и обеспечивается вычислениеполного значения измеряемой задержки, а также пикового значения амплитуды сигнала с повышенной методической точностью.
Литература
1. Радиоавтоматика: Учеб. пособие для студ. вузов спец. «Радиотехника» / В.А. Бесекерский, А.А. Елисеев, А.В. Небылов и др.; Под ред. В.А. Бесекерского. - М.: Высш. шк., 1985. - 271 с.
2. СПОСОБ СЛЕЖЕНИЯ ЗА ВРЕМЕННОЙ ЗАДЕРЖКОЙ СИГНАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ, Патент РФ №2157593, H04L 7/02, Н04В 1/10, опубл. 10.10.2000, авторы Гармонов А.В.; Манелис В.Б.; Савинков А.Ю.
3. "Применение цифровой обработки сигналов" под ред. Э. Оппенгейма, М, 1980 г., стр. 325.
4. "Цифровой дискриминатор задержки", патент РФ №2059254, опубл. 27.04.1996, автор Наумов С.В.