способ и устройство обнаружения сигналов при наличии переменного доплеровского эффекта

Формула изобретения

1. Способ обнаружения сигналов при наличии переменного доплеровского эффекта, основанный на операции согласованной фильтрации принятой реализации, заключающейся в вычислении прямого преобразования Фурье входного процесса, перемножении комплексного спектра Фурье входного процесса с сопряженным спектром Фурье копии излученного сигнала, вычислении обратного преобразования Фурье от результата перемножения, вычислении квадрата модуля и сравнения с порогом, отличающийся тем, что перед операцией вычисления прямого преобразования Фурье предварительно проводят операцию инверсной передискретизации принятой реализации.

2. Устройство обнаружения сигналов при наличии переменного доплеровского эффекта, содержащее аналого-цифровой преобразователь, на вход которого подается входной сигнал, а выход которого соединен с входом рециркулятора, выход которого соединен с входом вычислителя быстрого преобразования Фурье, выход которого соединен с первым входом комплексного перемножителя, выход которого соединен с входом вычислителя обратного быстрого преобразования Фурье, выход которого соединен с входом вычислителя квадрата модуля, выход которого соединен с входом порогового устройства, выход которого является выходом устройства; постоянное запоминающее устройство, выход которого соединен со вторым входом комплексного перемножителя, отличающееся тем, что оно содержит блок инверсной передискретизации, вход которого соединен с выходом рециркулятора, а выход является входом вычислителя быстрого преобразования Фурье, и устройство управления, выходы которого соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, рециркулятора, блока инверсной передискретизации, вычислителя быстрого преобразования Фурье, комплексного перемножителя, вычислителя обратного быстрого преобразования Фурье, постоянного запоминающего устройства.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области специальной радиотехники и может быть использовано в радио и гидролокационных системах при обнаружении сигналов на фоне помех и оценки параметров сигналов.

Известно, что реализация оптимального приема при решении задачи обнаружения сигналов на фоне помех во многом определяется уровнем знаний о принимаемом сигнале.

Если спектральная характеристика сигнала неизвестна, то используют энергетические методы (эккартовская фильтрация) и устройства приема [1-4], представляющие собой последовательное выполнение операций фильтрации, квадратичного детектирования и интегрирования. Недостаток таких методов заключается в появлении «эффекта подавления малого сигнала», вследствие не использования приемником фазовой информации, содержащейся в принимаемом сигнале.

Для сигналов с неизвестной задержкой, но известной фазовой структурой приходящего сигнала и энергетической спектральной характеристикой шума оптимальным является согласованный фильтр [1-4]. Основным недостатком согласованного фильтра является ограниченность его применения только для класса сигналов с известным и постоянным доплеровским параметром. В случае присутствия неизвестной кинематики носителя сигналов необходима многоканальная схема, осуществляющая фильтрацию по каждому из возможных значений доплеровского параметра. В предлагаемом техническом решении для обнаружения сигналов производится согласованная фильтрация по переменному доплеровскому параметру.

В [5, с.46] показано, что для многих практических задач, связанных с обнаружением локационных сигналов и измерением параметров движения объектов, в выражении для ошибки оценки постоянного доплеровского эффекта можно пренебречь членом, зависящим от переменного доплеровского эффекта. В известных технических решениях, предназначенных для разрешения цели по скорости в одном элементе дальности, переменный доплеровский эффект, как правило, не учитывается [6-11].

Однако для быстроманеврирующих целей с большим числом Маха 2 /с, где - относительная скорость сближения цели, с - скорость распространения сигнала, пренебрежение переменным доплеровским эффектом приведет к большим ошибкам рассогласования между принимаемым сигналом и эталоном. Это рассогласование значительно в условиях гидролокационного приема и длинных зондирующих посылок [12].

Учет переменного доплеровского параметра необходим главным образом в условиях изменения радиальной скорости цели [13].

Рассмотрим примеры, демонстрирующие необходимость учета переменного доплеровского эффекта в задачах гидролокации.

Пусть приемник и источник движутся с постоянными скоростями соответственно и . Тогда - текущая координата приемника, а - текущая координата источника, где - расстояние между источником и приемником на момент времени t=0.

Расстояние между источником и приемником равно

Разлагая выражение (1) в ряд Тейлора и ограничиваясь тремя членами разложения, запишем

Сигнал на приемнике имеет вид

где

,

Без потери общности положим =0. В этом случае

Из анализа (4) можно сделать вывод, что параметр достигает своего максимального значения при условии =- = /2. В этом случае . При значениях, например, +u=1 [м/с], r₀=100 [м], с=1500 [м/с] параметр равен 0.0000033. При этом зависимость потери когерентных свойств сигналов от параметра представлена на фиг.1.

Из анализа фиг.1 следует необходимость учета переменного доплеровского эффекта.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ согласованной фильтрации принятого сигнала [14].

Рассмотренный способ позволяет выделить сигнал на фоне помехи. Суть способа состоит в вычислении прямого преобразования Фурье входного процесса, перемножении комплексного спектра Фурье входного процесса с сопряженным спектром Фурье копии излученного сигнала, вычислении обратного преобразования Фурье от результата перемножения, вычислении квадрата модуля и сравнении с порогом. Обработка производится в реальном масштабе времени, т.е. отсчеты входной реализации обновляются в соответствии с теоремой Котельникова. Превышение порогового значения происходит в момент компенсации задержки =0. При этом принимается решение об обнаружении цели, а сам момент будет соответствовать дистанции до цели. Рассмотренный способ является оптимальным с точки зрения отношения сигнал/помеха для детерминированного сигнала и при постоянном доплеровском эффекте. Однако он не позволяет избежать потерь в отношении сигнал/помеха в условиях переменного доплеровского эффекта. Целью предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости за счет уменьшения потерь в отношении сигнал/помеха, связанных с переменным доплеровским эффектом. Поставленная цель достигается тем, что в способ корреляционной обработки эхо-сигналов от движущейся цели, основанный на излучении зондирующего сигнала и согласованной фильтрации принятого процесса, дополнительно вводится операция инверсной передискретизации сигнала с переменным шагом дискретизации.

Суть способа состоит в следующем. Для устранения влияния переменного доплеровского эффекта на помехоустойчивость согласованного фильтра предлагается ввести процедуру, которая обладает групповой симметрией:

Для реализации процедуры (5) необходимо производить обработку сигнала в двух областях: временной t и инверсно-временной -1/t. Обработка сигнала во временной области заключается в секционировании сигнала с привязкой к определенному моменту времени, который выступает в качестве начального отсчета, и компенсируют задержку .

При условии определенности по параметру задержки процедура (5) записывается в виде, характеризующем преобразование сигнала относительно группы инверсных преобразований времени:

Обратный элемент группы инверсных преобразований времени определяется правилом:

Для перехода в инверсную область времени выполняется преобразование, соответствующее обращению и инверсии носителя сигнала. То есть t -1/t, где t - носитель сигнала во временной области, -1 - носитель сигнала в инверсной области. Это необходимо для трансформации переменного доплеровского параметра в параметр, аналогичный линейному сдвигу на группе линейных преобразований времени.

Для выполнения операции перехода от t к -1/t в дискретном виде реализована операция инверсной передискретизации сигнала с учетом времени его окончания. Передискретизация проводиться в соответствии с выражением:

где - индексы отсчетов инверсного сигнала;

- количество отсчетов инверсного сигнала;

- интервал между инверсными отсчетами;

n₀ - индекс начального отчета интерполяции;

n_N-1 - индекс последнего отсчета интерполяции.

Инверсная передискретизация заключается в нахождении значений сигнала в промежуточных точках (узлах), определяемых выражением (6), с помощью процедуры интерполяции [26]:

где h_n(x) - проинтерполированные значения;

y_k - значение узловой точки с индексом k;

x_k - номер узловой точки с индексом k;

i, k, j - индексы номеров узловых точек и их значений;

р - количество узловых точек для интерполяции.

После перехода в инверсно-временную область переменный доплеровский параметр трансформируется в инверсный сдвиг, являющийся аналогом линейного сдвига в области времени. Таким образом, появляется возможность определения постоянного и переменного доплеровских параметров с помощью операции согласованной фильтрации:

где S(f) - преобразование Фурье входного сигнала;

- сопряженное преобразование Фурье эталонного сигнала;

, ₁ - действительный доплеровский параметр и имеющийся в банке данных;

, ₁ - переменный доплеровский параметр сигнала и эталона.

Применение операции (7) позволяет устранить необходимость перебора значений по переменному доплеровскому параметру.

Для определения постоянного доплеровского параметра формируется банк данных. При равенстве действительных и имеющихся в банке данных параметров выражение (7) достигает максимального значения, соответствующего максимальному отношению сигнал/шум.

Выполнение согласованной фильтрации осуществляется следующим образом:

1) вычисляется спектр Фурье передискретизированного сигнала S(f);

2) вычисляется спектр Фурье эталонного сигнала со значением параметра , взятым из банка данных . Производится комплексное сопряжение полученного спектра: ;

3) перемножаются спектр Фурье передискретизированного сигнала S(f) и сопряженный спектр эталонного сигнала ;

4) вычисляется обратное преобразование Фурье от результата последнего перемножения: .

После согласованной фильтрации (7) осуществляется квадратичное детектирование огибающей отклика согласованного фильтра (вычисление квадрата модуля отклика СФ). Затем сравнивается с пороговым значением, выбираемым в зависимости от требуемой вероятности ложной тревоги. Превышение порогового значения происходит в момент компенсации задержки =0, постоянного доплеровского параметра = ₁ и переменного доплеровского параметра = ₁. При этом принимается решение об обнаружении полезного сигнала. А информация о значениях задержки, постоянного и переменного доплеровских параметров используется для определения соответственно дистанции до объекта, скорости и ускорения.

Описанные выше шаги обработки сигналов повторяются для каждого параметра , хранящегося в банке данных. В результате формируется трехмерная широкополосная функция неопределенности, вид которой представлен на фиг.2.

Применение новой по сравнению с прототипом операции передискретизации для каждого канала обработки позволило получить положительный эффект, заключающийся в повышение помехоустойчивости обнаружения сигналов при наличии переменного доплеровского эффекта.

Выигрыш в помехоустойчивости предлагаемого способа обнаружения сигналов, при наличии переменного доплеровского эффекта, по сравнению с классической согласованной фильтрацией обусловлен увеличением вероятности правильного обнаружения сигналов за счет снижения ошибки при сравнении с эталонными сигналами и составляет 7 дБ.

Устройство, реализующее предлагаемый способ обнаружения сигналов при наличии переменного доплеровского эффекта, приведено на фиг.3, где:

блок 1 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП),

блок 2 - рециркулятор,

блок 3 - блок инверсной передискретизации,

блок 4 - вычислитель БПФ,

блок 5 - комплексный перемножитель,

блок 6 - ПЗУ,

блок 7 - вычислитель обратного БПФ,

блок 8 - вычислитель квадрата модуля,

блок 9 - пороговое устройство,

блок 10 - управляющее устройство.

Таким образом, устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит: аналого-цифровой преобразователь (блок 1), выход которого соединен с входом рециркулятора (блок 2), выход которого соединен с входом блока инверсной передискретизации (блок 3), выход которого является входом вычислителя быстрого преобразования Фурье (блок 4), выход которого соединен с первым входом комплексного перемножителя (блок 5), выход которого соединен с входом вычислителя обратного быстрого преобразования Фурье (блок 7), выход которого соединен с входом вычислителя квадрата модуля (блок 8), выход которого соединен с входом порогового устройства (блок 9), выход которого является выходом устройства; постоянное запоминающее устройство (блок 6), выход которого соединен со вторым входом комплексного перемножителя (блок 5), управляющее устройство (блок 10), выходы которого соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, рециркулятора, вычислителя быстрого преобразования Фурье, комплексного перемножителя, вычислителя обратного быстрого преобразования Фурье и постоянного запоминающего устройства.

Блок аналого-цифровой преобразователя 1 предназначен для представления исходного сигнала в цифровой форме.

Блок рециркулятора 2 предназначен для хранения выходных отсчетов АЦП (блок1).

Блок инверсной передискретизации 3 осуществляет преобразование в соответствии с выражением (6).

Блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) 4 предназначен для нахождения спектра сигнала и широко распространен в цифровой обработке сигналов [19].

Блок комплексного перемножения 5 предназначен для перемножения отсчетов сопряженного комплексного спектра эталонного сигнала и спектра входной реализации.

Блок постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 6. В нем хранятся сопряженные преобразования Фурье эталонных сигналов.

Блок обратного быстрого преобразования Фурье (БПФ) 7 предназначен для нахождения отсчетов сигнала во временной области и широко распространен в цифровой обработке сигналов [20].

Блок вычислителя квадрата модуля 8 предназначен для возведения в степень 2 значений отсчетов с выхода блока 7.

Блок порогового устройства 9 предназначен для сравнения с пороговым значением отсчетов с выхода блока 8.

Блок управляющего устройства 10 предназначен для синхронизации работы всех блоков.

Принцип действия устройства заключается в следующем. Реализация входного процесса x(t) поступает на вход АЦП (блок 1) с частотой дискретизации, удовлетворяющей требованиям теоремы Котельникова: .

С выхода АЦП (блок 1) дискретные отсчеты поступают на вход рециркулятора (блок 2), где формируется и с каждым новым отсчетом обновляется текущая дискретная выборка s(n) длиной N-отсчетов. Длина выборки N определяется длительностью излучаемого сигнала и интервалом дискретизации: . Сформированная текущая дискретная выборка входного процесса s(n) поступает на вход блока инверсной передискретизации (блок 3). С выхода передискретизатора преобразованный сигнал поступает на вход вычислителя БПФ (блок 4), с выхода которого комплексный спектр S(n) преобразованной входной реализации поступает на вход комплексного перемножителя (блок 5). На другой вход комплексного перемножителя поступает вычисленный заранее сопряженный комплексный спектр эталонного сигнала , хранящийся в ПЗУ (блок 6). Результат перемножения поступает на вход вычислителя обратного БПФ (блок 7). С выхода вычислителя обратного БПФ (блок 7) отклик согласованного фильтра y(n) поступает на вход вычислителя квадрата модуля (блок 8), с выхода которого выделенная огибающая поступает на вход порогового устройства (блок 9), выход которого является выходом устройства.

Устройство управления (блок 10) осуществляет синхронизацию работы: аналого-цифрового преобразователя (блок 1), рециркулятора (блок 2), блока инверсной передискретизации (блок 3), вычислителя быстрого преобразования Фурье (блок 4), комплексного перемножителя (блок 5), вычислителя обратного быстрого преобразования Фурье (блок 7) и постоянного запоминающего устройства (блок 6).

Литература

1. Лезин Ю.С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем. - М.: Радио и связь, 1986. - 280 с.

2. Хелстром К. Статистическая теория обнаружения сигналов. - М.: Иностранная литература, 1963. - 430 с.

3. Ван-Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. T.1. - М.: Сов. радио, 1972. - 744 с.

4. Ван-Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Т.3, - М.: Сов. радио, 1977. - 661 с.

5. Келли. Радиолокационное измерение дальности, скорости и ускорения. Зарубежная радиоэлектроника (ЗР). № 2, 1962. - С.35.

6. А.С. № 537315 (СССР) от 301176. Способ определения скорости движения судна относительно дна.

7. Патент № 4282589 США, 1981. Корреляционный способ измерения дальности.

8. Патент № 3938147 США, 1976. ЧМ доплеровская система измерения дальности.

9. Заявка № 1482816 Великобритания. Способ и устройство для измерения доплеровского частотного сдвига.

10. Заявка № 2605933 ФРГ. Способ измерения расстояния и скорости, основанный на использовании импульсной доплеровской РЛС.

11. Заявка № 56-41953 Япония 1981. Способ и прибор для измерения расстояния с помощью РЛС непрерывного излучения с ЧМ.

12. Крамер. Допустимая расстройка скорости и ускорения в высокочувствительных широкополосных корреляционных гидролокаторах с линейной ЧМ. ТИИЭР. Т.55, № 5, 1967. - С.3.

13. Рихачек. Разрешение подвижных целей в радиолокации. ЗР. № 1, 1968. - С.3.

14. Бурдик В.С. Анализ гидроакустических систем. - Л.: Судостроение, 1988. - С.339-341.

15. Келли, Вишнер. Теория согласованной фильтрации целей, движущихся ускоренно с высокими скоростями. ЗР. № 10, 1965. - С.38.

16. Киблер. КЭВОРТ - устройство оптимальной обработки пачечного радиолокационного сигнала с учетом ускорения целей. ЗР, 1968. - С.27-33.

17. Шмарев Е.И. др. Оптическое вычисление функции неопределенности сигналов (обзор). ЗР. № 10, 1981. - С.41-43.

18. Красногоров С. Совместная оценка амплитуды, фазы, расстояния и его производных радиолокационными методами. Радиотехника и электроника. № 9, 1, 1964. - C.79.

19. Применение цифровой обработки сигналов. / Под ред. Оппенгейма Э., - М.: Мир, 1980, - с.284, 417-418.

20. Мирский Г. Электронные измерения. - М.: Радио и связь, 1986. - С.126-140. А.С. № 832490 (СССР) от 280581, Анализатор спектра.

21. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Т.2. - М.: Мир, 1983. - С.204.

22. Бронштейн И., Семендяев К. Справочник по математике. - М.: Наука, 1980. - C.369.

23. Найт У. Цифровая обработка сигналов в гидролокационных системах. ТИИЭР. Т.69. № 11, 1981. - C.127.

24. Белоцерковский Г. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. - М.: Сов. Радио, 1975. - С.25-26.

25. Калиткин Н.Н. Численные методы. - М.: Наука, 1986. - С.38.