НЕЛИНЕЙНЫЙ ПРОСТРАНСТВЕННО-ЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТР ПОТОКА СИГНАЛОВ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ

July 3, 2012 by admin Комментировать »

Казанцев Г. В., Солдатов В. П., Вагапов А. М., Овсянников В. Н. ФГУП «ЦНИРТИ» Новая Басманная, 20, Москва 107066, РФ тел. 263-97-24

Аннотация В докладе рассматриваются новые подходы к разработке систем РТР нелинейный пространственно-частотный фильтр (НПЧФ), который является обобщением и развитием известных в радиолокации односигнальных адаптивных антенных решеток (ААР) на многосигнальную обстановку в условиях существенной априорной неопределенности о числе, форме и статистике сигналов. Проведено имитационное моделирование, которое подтверждает высокие технические характеристики фильтра.

I.  Введение

Нелинейный пространственно-частотный фильтр (НПЧФ) представляет собой тензорную антенную решетку (ТАР) с цифровой обработкой потока сигналов источников радиоизлучения (ИРИ). Под ТАР понимается группа подобных пространственных антенных решеток, в различные элементы которых могут включаться линии задержки (ЛЗ) с различным числом отводов или устройства многократного сдвига частоты

–  дуальные по Фурье аналоги ЛЗ в частотной области. НПЧФ предназначен решать следующие задачи пассивной или активной радиолокации: обнаружение и оценка числа ИРИ в заданном угловом секторе, в заданном диапазоне частот, на заданном интервале времени, при заданной геометрии пространственной апертуры ТАР или многолучевой антенны радиолокатора; точечная оценка несущих частот и угловых координат или пространственно-частотное разрешение ИРИ; фильтрация принятых сигналов ИРИ во временной или частотной области; оценка радиотехнических параметров сигналов ИРИ (длительности, временного положения, ширины спектра, мощности, вида модуляции, взаимной корреляции и т.д.).

НПЧФ является обобщением и развитием известных в локации односигнальных адаптивных решеток на многосигнальную обстановку в условиях существенной априорной неопределенности о числе, форме и статистике сигналов ИРИ, которые могут частично или полностью не разрешаться по радиотехническим параметрам (включая несущие частоты и временное положение). Поэтому НПЧФ называется также многосигнальной адаптивной решеткой. Областью приложений НПЧФ является: радиолокация, радиоастрономия, радиосвязь, гидролокация, сейсмология, медицина и др. [1-16].

Предлагаемые варианты НПЧФ могут быть использованы в системах т.н. малобазовой локации с не очень большой апертурой антенной решетки (АР) и линии задержки (ЛЗ), когда выполняется условие малой базы (для каждого из сигналов ИРИ):

D/A « F/dF,                               (1)

где D линейный размер АР или ЛЗ; A, F, dF средние длина волны, частота и ширина спектра сигнала ИРИ. Условие (1) эквивалентно условию пренебрежения зависимостью запаздываний низкочастотных модуляций сигналов по апертуре АР или ЛЗ.

II.  Информационные параметры

НПЧФ оценивает следующие параметры и характеристики множества сигналов ИРИ:

М число ИРИ в заданном диапазоне частот на заданном интервале времени;

–    несущие частоты (центры или первые моменты энергетических спектров) сигналов ИРИ;

–   временное положение (центры или первые моменты квадрата амплитудной модуляции) сигналов ИРИ;

–   направления (единичные вектора) ИРИ в системе координат ТАР;

–    реализации, спектры и модуляции принимаемых сигналов ИРИ;

–   взаимную корреляционную матрицу (КМ) принимаемых сигналов ИРИ размером М * М с диагональными элементами, равными мощностям сигналов ИРИ.

III.  Отличительные признаки и принцип работы НПЧФ

Отличием НПЧФ от аналогичных существующих систем пространственно-частотной фильтрации является нелинейная обработка сигналов ИРИ в процессоре, которая позволяет аналитически решать задачи НПЧФ сигналов, неразрешаемых по радиотехническим параметрам, во-первых, для произвольных обьемных ТАР и неэквидистантных ЛЗ в широком амплитудном диапазоне, превышающем уровень боковых лепестков АР, и, во-вторых, в условиях релеевского углового или частотного неразрешения ИРИ, когда ИРИ могут находиться в главном лепестке диаграммы направленности АР или апертуры ЛЗ.

Принцип работы НПЧФ основан на фундаментальном свойстве локализации векторных информационных процессов (ВИП) в ограниченных М-мерных линейных сигнальных подпространствах (СПП) Nмерного евклидова пространства сигналов с выходов элементов АР и ЛЗ. При этом сверхрелеевское разрешение достигается за счет аналитического продолжения пространственно-временных апертур за пределы реально существующих физических апертур, а также за счет той дополнительной информации, которая содержится в пеленгационно-частотной линейной оболочке. В НПЧФ, в отличие от известных адаптивных решеток, используется полная информация, содержащаяся в АКМ и ВКМ и представляемая в виде или обобщенного алгебраического спектра АКМ собственных чисел и векторов пары (АКМ,ВКМ), или спектра пары (ВКМ-1.ВКМ-2). При этом важное значение приобретают различные способы построения СПП ВИП, основанные на процедурах ортогонализации Грама-Шмидта выборок ВИП или столбцов АКМ. Если в обычных односигнальных адаптивных АР формируется один весовой вектор для фильтрации одного ожидаемого локационного сигнала (или его автокорреляционной функции), то в НПЧФ (многосигнальной адаптивной АР) формируется множество весовых векторов для каждого обнаруженного сигнала ИРИ.

В докладе рассматриваются специфические особенности НПЧФ в системах пассивной радиолокации. При этом предлагаемые к разработке аналитические (беспоисковые по углам и частотам) алгоритмы многосигнальной пеленгации и оценки несущих сигналов ИРИ являются развитием известных (для линейных АР и ЛЗ) фундаментальных алгоритмов ESPRIT [11] и MUSIC [12] на произвольные объемные ТАР и неэквидистантные ЛЗ. Выделяются также алгоритмы, в которых сначала проводится разрешение сигналов по некоторой обобщенной координате (например, компоненте волнового вектора в линейной АР или по несущей частоте в частотном дискриминаторе), затем осуществляется фильтрация или восстановление сигналов ИРИ, и на заключительном этапе НПЧФ находятся биортогональные в гильбертовом пространстве реализации сигналов ИРИ и волновые вектора ИРИ.

IV.        Квазидетерминированные физические принципы построения аппаратуры АПЧФ

Аппаратура адаптивной пространственночастотной фильтрации (АПЧФ) смешанного потока импульсных, непрерывных или квазинепрерывных сигналов различных источников радиоизлучения (ИРИ) может быть построена на базе современной, далеко нетривиальной теории пространственновременной обработки сигналов [1-14] в адаптивных антенных решетках (ААР). Несмотря, однако, на громадное число публикаций по вопросам ААР (более 2-х тысяч только за последних 10 лет!) следует всё-таки отметить, что до сих пор в литературе присутствует «разноязычность», обилие всевозможных терминов и псевдонаучных толкований, а главное отсутствует должное физико-математическое обобщение и систематизация. Все это привело к значительному торможению внедрения научных достижений в соответствующую технику АПЧФ, особенно в странах СНГ. Квантовая электродинамика переходит в классическую, когда энергия квантов ЭМП (W) значительно меньше энергии шумового теплового движения элементарных частиц (Wt):

W«Wt, hfs«кТш к=1.38»10′23Дж/К, ТШШТ0, Т0 =300К, h=6.63»10′34 Дж»с , (2) где hпостоянная Планка; кпостоянная Больцмана; Кш — коэффициент шума (УВЧ).

В радиодиапазоне условие (2) выполняется с весьма большим запасом:

W<6.63*10′34Вт/М Г ц«4Кш»10′15Вт/М Гц= 4КШ »10′15 мкДж              (3)

Поэтому использование квантовой электродинамики в радиодиапазоне практически нецелесообразно. Что касается теории статистического синтеза АПЧФ, то она должна переходить в теорию детерминированного синтеза, когда энергия шумового теплового движения Wt оказывается значительно меньше, чем энергия ЭМП Es (сигнала ИРИ):

Wt« Es => SNR= ( Es / Nm ) » 1, Nm = Wr=4Km «1 O’15 Вт/МГц ,       (4)

где Nm спектральная плотность мощности теплового шума [17]; SNR (signal noise ratio) т.н. энергетическое отношение сигнал/шум (OCI1I). Отметим, что практически во всех задачах статистической теории обнаружения и оценки параметров сигналов высокие показатели качества и точностные характеристики обеспечиваются, как правило, при достаточно высоких энергетических OCLU. Так в радиолокационных задачах обнаружения [18] квазидетерминированных сложных сигналов известной формы (типа ЛЧМ, ФКМ) на фоне белых нормальных шумов требуется обеспечить достаточно высокое OCLLJ (в корреляционных и оптимальных по Нейману-Пирсону приёмниках обнаружения):

SNR0=(Zi_flt+ZD )212 ,                                    (5)

где FLTвероятность ложной тревоги; Dвероятность правильного обнаружения; Zp р-квантиль стандартного нормального распределения вероятностей. В частности, имеет место [19]:

FLT=10′8, D=0.9 => SNR0 =25 (14 Дб) (6)

В случае обнаружения сигналов с априорно неизвестной формой требуется еще большее ОСШ [18, 19]:

В задачах высокоточной оценки параметров сигналов требования к минимальному ОСШ еще более возрастают. В связи с этим становится очевидным, что необходимые условия достаточно больших ОСШ (SNR), которые требуют казидетерминированные физические принципы синтеза аппаратуры АПЧФ, не являются жёсткими и детерминированные алгоритмы АПЧР имеют важное теоретическое и прикладное значение. При этом выполняется вполне приемлемая цепочка неравенств: W«Wr « Es => SNR»1 (8)

Отметим, что на практике зачастую по традиции используется не энергетическое ОСШ (SNR), а ОСШ по мощности (q), которое может быть значительно меньше SNR, но не отражать физической сущности и достаточных условий обнаружения (как SNR):

где fmax максимальная промежуточная частота, которая может быть оценена однозначно {fmax= 1250 МГц = (Fd/2)=2500 МГц).

Геометрия ВИП (10) означает, что энергия ВИП сосредоточена в СЛО или сигнальном подпространстве (СПП) с размерностью, равной числу принимаемых сигналов М. Поэтому все алгоритмы НСА сводятся к тому, что на 1-ом этапе по выборкам ВИП строится СПП с максимальным энергетическим отношением сигнал/шум (SNR [13]), а на 2-ом этапе находятся в

найденной СПП частотные вектора V™ и далее простым пересчетом уже сами частоты сигналов fm. Что касается восстановления сигналов, то оно проводится стандартными методами псевдообращения ВИП [13], т.е. сигналы восстанавливаются как аффинные проекции ВИП zN (t) на частотные вектора V™. После

восстановления сигналов в частотном дискриминаторе можно найти соответствующую совокупность биортогональных сигналов и решить задачу пеленгации традиционными корреляционными (амплитудными или фазовыми методами), т.к. биортогонализация Грама-Шмидта сигналов означает, по существу, частотную фильтрацию (однако без традиционного ДПФ!).

Возможность использования в частотном дискриминаторе традиционных алгоритмов линейного спектрального анализа (ЛСА) на коротких выборках, но с высоким разрешением, связана с указанной выше потенциальной возможностью т.н. АНП ВИП, которая заключается в том, что принимается векторная дифференциальная модель ВИП как на интервале

Ts , так и вне его. Т.е. полагается, что ВИП удовлетворяет обыкновенному векторному линейному дифференциальному уравнению (ЛДУ) [201:

где Ann матрица лду, которая зависит от несущих частот fm Модель ЛДУ (12) следует из соответствующей модели векторного сигнала j (t), который, как набор квазигармонических сигналов, также удовлетворяет некоторому ЛДУ

~М……………………… ~М‘ •        ‘

Матрица ЛДУ ANN находится просто при цифровой обработке сигналов (ЦОС), когда ЛДУ (12) переходит в векторное уравнение авторегрессии (ЛДУ переходит в векторное линейное пазностное упавнение (ПРУ1У

где lNN — единичная матрица. Тогда, делая N выборок ЛРУ (14) (n=1..N), можно стандартными матричными методами определить матрицу ЛРУ и сделать АНП ВИП на любой заданный интервал времени, длительность которого определяется заданным частотным разрешением ДПФ (при разрешении 1 МГц-это 1 мкс).

Таковы основные принципы построения аппаратуры АПЧФ, которые были апробированы и показали, вопервых, правильность развитых теоретических положений, а, во-вторых, достаточно высокую эффективность разработанных алгоритмов АПЧФ.

V.        Результаты имитационного статистического моделирования и оперативно-технические характеристики АПЧФ

]

В результате проведенных статистических испытаний в среде MatLab (v.6.1) получены следующие характеристики аппаратуры АПЧФ.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты