Цифр методы измерения угловых координат (Методическое пособие к лабораторной работе - Цифровые методы измерения угловых координат)

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

КАФЕДРА 401

Г.А.Волкова

А.В.Бруханский

Цифровые методы измерения угловых координат

Учебное пособие к лабораторной работе

Утверждено

на заседании кафедры 401

11 сентября 1998 г.

МОСКВА, 1998

Цель работы: Изучить цифровые методы измерения угловых координат и определить зависимость среднеквадратической погрешности измерения азимута объекта от отношения сигнал/шум.

1. Структурная схема системы обнаружения и измерения азимута.

Для определения местоположения обнаруженного объекта при использовании дальномерно - пеленгационного метода местоопределения необходимо измерить дальность, азимут и угол места.

Измерение азимута объекта импульсной РЛС в режиме обзора производится в каждом кольце дальности, на которые разбита вся зона обзора. Таким образом, при измерении азимута, дальность до объекта будем считать известной. Рассмотрим сигнал на выходе детектора импульсной РЛС за один период обзора, соответствующий одному из колец дальности. За начало отсчёта примем момент времени, когда диаграмма направленности антенны проходит северное направление. Пока диаграмма направленности антенны не пересекает направления на объект, на выходе детектора в данном кольце дальности имеются лишь шумовые импульсы. Когда антенна облучает объект, формируется отражённая пачка. Как видно из рис.1.а, чем больше смещён объект по азимуту относительно северного направления, тем позже формируется отражённая пачка. Таким образом, информация об азимуте цели заложена в сдвиге огибающей, отражённой пачки относительно северного направления. По принятой отражённой пачки следует определить момент, когда максимум диаграммы направленности пересекает направление на объект и в этот момент отсчитать угол поворота антенны.

Сигналы, отражённые от реальных объектов (самолётов, кораблей и т.п.), флуктуируют (меняются по амплитуде при изменении курса объекта относительно РЛС); на сигнал воздействуют шумы, которые принимаются антенной из окружающего пространства и образуются в самом приёмнике.

По этим причинам первая задача, которая встаёт при измерении азимута, состоит в выработке импульса фиксации азимута, наиболее точно соответствующего истинному азимуту объекта, по флуктуирующей пачке, на которую налагаются шумы.

Вторая задача состоит в преобразовании угла поворота антенны от момента прохода северного направления до момента выработки импульса фиксации азимута в напряжении или (что обычно производится в цифровых системах обработки информации) в цифровой код.

Естественно, обе задачи решаются только для обнаружения объектов, т.е. схема измерения азимута комплексируется с обнаружителем.

Структурная схема системы цифрового обнаружения и дискретного измерения угловой координаты с параллельным измерением азимута в дальномерных каналах представлена на рис.2.

Система содержит антенну, переключатель приём – передача, передатчик, синхронизатор, радиолокационный приёмник, квантизатор, электронный коммутатор каналов дальности, генератор импульсов дальности ГИД, устройства обнаружения сигнала и измерения азимута УО - ИА в каждом канале дальности и устройства преобразования угла поворота антенны в цифровой код, содержащее датчик текущего азимута ДТА и устройство считывания кода азимута. Устройство преобразования номера канала в код дальности объекта на схеме не показано, оно аналогично изученному в работе № 1 – 648.

Импульс синхронизации, соответствующий началу очередного зондирующего импульса РЛС и началу отсчёта дальности, запускает генератор импульсов дальности ГИД, который вырабатывает импульсы временной дискретизации с периодом , поступающие в квантизатор. Квантизатор осуществляет временную дискретизацию и бинарное квантование видеосигналов с выхода детектора РЛС. Квантованные сигналы i-го кольца дальности с помощью электронного коммутатора каналов дальности ЭККД поступают на вход i-го устройства обнаружения – измерения азимута. ЭККД состоит из регистра сдвига дальности RG Д и набора схем совпадения &₁, &₂, …, &_mr. Импульс синхронизации записывается в первый триггер RG Д и под действием импульсов ГИД сдвигается вдоль регистра сдвига дальности. При этом на первые входы схем совпадения & поочерёдно поступает высокий потенциал. Если в этот момент, когда на правом входе схемы &_i высокий потенциал, с выхода квантизатора придёт "единица" (или "нуль"), она (он) пройдёт на вход i-го УО – ИА и запишется в память. Через периодов повторения в памяти будет записана вся квантованная пачка. УО и ИА обнаружит цель и выработает импульс фиксации азимута, который поступает на выход схемы преобразования угла поворота в цифровой код. В результате будет получен код азимута объекта, который передаётся в устройство вторичной обработки.

Недостатком такого построения системы является использование m_R схем УО и ИА, причём память этих схем реализована на регистрах сдвига с отводами от каждого триггера, что препятствует высокой степени интеграции и приводит к увеличению массы и габаритов устройства первичной обработки информации. На рис. 3 показано построение памяти УПОИ, при котором используется одно УО – ИА. Сигналы с выхода квантизатора, соответствующие 1-му, 2-му, …, m_R – му каналам дальности, поочередно записываются в RG и сдвигаются под действием импульсов ГИД, причём вход первого RG₁ соединён со входом второго RG₂ , выход второго RG₂ соединён со входом третьего и т. д.

На выходах n регистров сдвига поочерёдно через интервал Т_д появляются квантованные пачки сначала с 1-го кольца дальности, затем со второго кольца дальности и так далее, которые поступают на вход единственного УО – ИА. Это устройство за время Т_д должно произвести обнаружение и измерение азимута, т. е. обладать высоким быстродействием. Импульс фиксации азимута поступает на вход устройства, преобразования угла поворота антенны в цифровой код.

2. Цифровые устройства обнаружения и измерения азимута

Измерение азимута объекта производится на основании принятой пачки импульсов (выборки) , представляющей смесь сигнала c неизвестным параметром (азимутом) и шума.

Для улучшения тактико–технических параметров РЛС необходимо применять оптимальные устройства оценки (измерения) азимута, дающие наилучшие результаты в смысле принятых критериев оптимальности. Из статистической теории оценки параметров известно несколько критериев оптимальности, применение которых зависит от полноты априорных сведений.

В радиолокации часто априорное (доопытное) распределение параметра (азимута ) неизвестно и обычно его можно принять равномерным в интервале возможных значений параметра. В этих условиях используется критерий максимума функции правдоподобия. Функция правдоподобия - это условная плотность распределения , рассматривая при конкретной принятой выборке , как функция параметра :

Статистическая теория оценок позволяет решить задачу получения алгоритма оптимальной оценки параметра , т. е. последовательности математических операций, которые должны быть произведены над входной выборкой для получения оценки параметра при заданном критерии оптимальности.

Для критерия максимума функции правдоподобия в качестве оценки азимута принимается то значение , при котором достигается максимум функции правдоподобия. Такая оценка называется максимально правдоподобной (оценкой максимального правдоподобия).

Условие максимума функции правдоподобия записывается в виде:

(1)

оценка является корнем этого уравнения. Таким образом, в самом общем виде определён алгоритм оценки параметра при критерии максимального правдоподобия.

Устройство оптимальной оценки азимута по пачке некогерентных импульсов при отсутствии флюктуаций, синтезированное методом максимума функции правдоподобия, реализует алгоритм весового суммирования:

(2)

где - амплитуды импульсов пачки от 1-го до n-го;

- весовые коэффициенты.

В соответствии с алгоритмом устройство оценки азимута содержит аналоговый блок памяти, блок умножения на весовые коэффициенты и сумматор.

Аналоговым устройством оценки азимута свойственен ряд существенных недостатков, основными из которых являются сложность создания памяти на время длительности пачки с большим динамическим диапазоном, явление насыщения сумматоров, резкое влияние различного рода нестабильностей на точность измерения, трудности микроминиатюризации, большие массы и габариты устройства.