Диссертация (Двумерный корреляционный анализ пониженной вычислительной сложности для разнесенных пассивных систем), страница 3

Рассмотрены основные методыполучения ДКФ: корреляционный, корреляционно-фильтровой, оптимальной(согласованной) фильтрации в частотной области. Описаны преимущества инедостатки,присущиетрадиционнымметодам.Наконкретномпримереприведены расчёты требований к вычислителю. Представлен новый способ иалгоритм получения ДКФ в реальном времени, приведена оценка аппаратныхзатрат, ограничения на применение алгоритма, а также потери по мощности вотношении С/Ш.13Во второй главе получено среднее значение, дисперсия и отношение С/ШпомощностипроцессастохастическогосигналанасвыходеКВКдоплеровскимпривоздействиисдвигомчастотыполезногоиналичиинекоррелированных шумов.Третья глава посвящена решению задачи подавления и компенсации”антикорреляционных” сигналов (помех) при приёме как широкополосных, так иузкополосных полезных сигналов.

Рассмотрены различные варианты системподавления и компенсации. В результате анализа было выявлено, что наиболееэффективнымспособомподавленияявляетсяиспользованиеАК.Быларазработана математическая модель (S–модель) АК, проведены исследования иполучены количественные характеристики подавления помех, зависимостьподавления от уровня полезного сигнала в основном и вспомогательном каналах.Также предложены структурные схемы спектральных корреляторов (СК)узкополосных сигналов.Четвёртая глава посвящена реализации предложенного алгоритмаполучения ДКФ в реальном времени в двух вариантах. Первый вариантреализован на ПЛИС и ГП средней производительности.

На ПЛИС реализованпроцесс корреляции и формирования информационных пакетов, а на ГПперемножение матриц и дальнейшая обработка полученной ДКФ. Второй вариантреализован на ГП большой производительности (более 200 Гфлопс). При этом всякорреляционная обработка и частотная фильтрация осуществляется на ГП приучастии УП. Приводятся различные конструктивные варианты реализацииаппаратуры обработки на основе ГП, работающие в жёстких условияхэксплуатации.

При этом возникает ряд технических сложностей связанных степловыделением, электропитанием и вводом информации в аппаратуру.Предложены запатентованные способы, позволяющие решать эти вопросы ипостроить аппаратуру обработки на основе ГП в конструктивном формате 6U“Евромеханика”.В заключении содержатся положения основных результатов и представленывыводы по работе в целом.14В приложении 1 приводится сравнительная оценка основных методовполучения ДКФ.В приложении 2 приводится структурная схема устройства двумернойкорреляционной обработки и функциональная схема модели АК.В приложении 3 приводится подробный вывод отношения С/Ш на выходеКВК.В приложении 4 исследован вопрос выбора ЭБ для построения аппаратурыкорреляционнойобработки.Приводитсясравнительныйанализнаиболеераспространенной ЭБ: СП, ПЛИС, УП, ГП.

Выявлены достоинства и недостаткитой или иной ЭБ как по электрическим, так по конструктивным и экономическимпараметрам. Получены качественные характеристики зависимости шириныполосы обрабатываемого сигнала от количества точек при операции БПФ.В приложении 5 приведены патенты на полезную модель.В приложении 6 приведены акты внедрения результатов диссертационнойработы.15Глава 1.

МЕТОДЫ И СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДКФ СИГНАЛА1.1. Обзор существующих методов и способов получения ДКФПолучение ДКФ и определение временного и частотного сдвига сигналовявляется достаточно вычислительно-емкой задачей и представляет собойсложную научно-техническую проблему. В данной главе рассматриваютсяварианты структурных построений двумерных корреляторов для когерентнойобработки сигналов, применяемых в пассивных разнесённых радиотехническихсистемах и устройствах.

Специфика этих систем состоит в параллельнойобработке большого массива данных по всем элементам задержек и диапазонуразностных частотных сдвигов.Поставленная задача в разделе введения, показывает, что для разнесённыхпассивных систем разработка методов и способов получения ДКФ особенноактуальна для следующих условий: сигнал неизвестен и имеет произвольнуюформу, с неизвестной разностью временных запаздываний до пунктов приёма инеизвестной разностью сдвига частоты, в условиях высокого уровня помех и, какследствие,низкимзначениемотношенияС/Шнавходесистемывзаимнокорреляционной обработки.Одним из важнейших требований, предъявляемым к алгоритму измерениятакого сигнала является простота и эффективность реализации ДКФ в реальномвремени на современной ЭБ либо на программируемой логике.Схемные и конструктивные решения построения двумерного коррелятораотличаются большим разнообразием.

Методы получения ДКФ фактическисводятся к применению того или иного способа построения коррелятора и методаобработки. Переход к ЦОС добавляет еще одну степень свободы в принципы ипостроение двумерного коррелятора и даёт качественный скачёк при работе вреальном масштабе времени.Двумерные корреляторы можно классифицировать по следующим основнымпризнакам:16• принципу действия, схемным и конструктивным особенностям;• форме представления сигналов в устройствах;• диапазону граничных частот случайного процесса.Основополагающим признаком классификации является первый. По этомупризнаку различают следующие принципы функционирования и построениядвумерных корреляционных устройств:• мультипликационные корреляторы;• устройстваизмерениянаосновесуммирования(вычитания)выборок;• корреляторы с полной амплитудой;• знаковые [18,22-25,36,37] и релейные [17] корреляторы.Существуют и другие типы устройств, использующие аппроксимацию КФсуммой членов разложения её в ряд по ортогональным функциям, метод [26] наоснове диадной корреляции с использованием хемминговой метрики [27] и другие.Однако они получили ограниченное применение.Различают также двумерные корреляторы по способу осуществлениявременного сдвига τ и порядку определения значений КФ, соответствующихразным значениям τ :• последовательного анализа;• параллельного анализа;• циклического анализа.В двумерных корреляторах, работающих по принципу последовательногоанализа, задержка вводится в один из двух входных каналов и изменяетсяпоследовательно: дискретно или непрерывно.

Соответственно на регистрирующееустройство последовательно выводятся значения КФ для разных аргументов τ.Корреляторы,осуществляющиеодновременный(параллельный)корреляционный анализ, являются многоканальными устройствами, в каждомканалекоторогоизмеряетсяфиксированной задержки τ.значениеКФ,соответствующейнекоторой17Работа коррелятора, использующий принципы циклического анализа,состоит из n циклов в течение каждого из которых временной сдвиг τпоследовательно проходит весь диапазон своего изменения.

Результаты измеренийдля соответствующих задержек τ, полученные в n-циклах, суммируются.Различают двумерные корреляторы по способу осуществления частотногосдвига Ф и порядку определения значений КФ, соответствующих разнымзначениям Ф:• последовательного анализа;• параллельного анализа;• комбинированные, с параллельным анализом.Описание последовательного и параллельного анализа было описано выше,как при временном сдвиге τ. Третий способ состоит в том, что весь диапазон частотразбивается на поддиапазоны.

В каждом поддиапазоне используется свойперестраиваемый фильтр, что упрощает построение и сокращает время анализа.Различные методы измерения ДКФ характеризуются разной статистическойточностью, продолжительностью вычислений и количеством математическихопераций. В работе описано применение коррелятора с полной амплитудой и двавида корреляции: дискретная либо при помощи двойного БПФ (операция прямогои обратного БПФ).1.1.1. Принцип формирования ДКФ в реальном времениДКФ χ(τ,Φ) имеет вид:+∞χ (τ , Ф ) = ∫ u(t )v * (t + τ )e − j 2πФt dt(1.1)−∞или+∞χ (τ , Ф ) = ∫ U ( f )V * ( f + Ф )e j 2πfτ df ,−∞(1.2)18где t – текущее время; τ – время задержки; f – частота; Φ – частотной сдвиг; u(t),v(t) – сигнал первого и второго приёмного канала; U(f), V(f) – спектр сигналапервого и второго приёмного канала.Процесс получения ДКФ в реальном времени состоит в том, что текущеевремя t разбивается на интервалы Tχ, на которых производится вычисление ДКФ(рисунок 1.1), т.е.

последовательно во времени на интервале от t1 до t2вычисляется первая ДКФ (χ1), на интервале от t3 до t4 - вторая ДКФ (χ2) и такдалее, на интервале от tn до tn+1 вычисляется n-ная ДКФ (χn):Tχχ n (τ , Ф ) = ∫ u(tn + t χ + t )v * (tn + t χ + t + τ )e− j 2πΦ ( tn +tχ +t )dt .0Время Tχ определяется требуемым временем выдачи результата Tвр,временем накопления КФ, быстродействием вычислителя: Tвр ≥ Tχ .Рисунок 1.1 – Получение ДКФ во времени: Tχ – интервал времени, на которомвычисляется ДКФ; Tр – интервал времени паузы; tχ – период ДКФ; n – номерДКФ; R – амплитуда КФ.Результат вычисления ДКФ может быть использован для графическогоотображения на экране индикаторного устройства, тогда время паузы Tр≈0, либодля передачи на другие устройства и дальнейшей обработки, тогда временнойпромежуток Tр≠0.191.1.2. Сравнительный анализ существующих методов получения ДКФРассмотрим методы получения ДКФ [11,20] и применимость их дляреализации в реальном масштабе времени при ЦОС.

Первые три метода относятсяк алгоритмам оптимальной фильтрации. Основу которых составляет наборзадержек и оптимальных фильтров, перекрывающих заданный диапазончастотных сдвигов [7,8,123,124] и обеспечивающих максимально возможноеотношение С/Ш. Каждый такой фильтр для фиксированного значения задержки ичастоты образует канал фильтрации, при этом обработка осуществляется нанулевой частоте.

Для определения максимальной загруженности вычислителя,рассмотрим сигнал с большой базой [12-16]. Необходимо выполнить обработкусигнала длиной NT отсчётов в ограниченном диапазоне задержек Nτ<<NT и сдвиговчастоты Nd<<NT, как в положительной области значений, так и в отрицательной(для определения направления на ИРИ).1 метод. Алгоритм корреляционной обработки, который реализуется всоответствии с (1.1) (рисунок 1.2), где показан один канал фильтрации дляфиксированного значения задержки и набора частот. При этом изменяется частотаФq, проверяется наличие сигнала во всём диапазоне частотных сдвигов исодержит следующие этапы обработки:- перемножение комплексного сигнала одного канала приёма с комплексносопряженным сигналом, задержанным на время распространения;- полосовая фильтрация;- накопления выборок и получения элементов ДКФ;- получение полной ДКФ в координатах ”время-частота”.

При этом можетприменятьсясхемаотбораэлементов,амплитудакоторогопревышаетопределённый порог.Вычисление элемента ДКФ прямым методом без применения БПФпроизводится с использованием следующей формулы:20χ p,q =N Т −1∑um=0*m m+ pv[cos(2πδФqδtm) − j sin(2πδФqδtm)] ,где um − отсчёт первого входного сигнала в момент времени δtm ;vm* + p – комплексно-сопряженный отсчёт второго входного сигнала в моментвремени δt (m + р ) ; δt – дискрет по времени; δФ – дискрет по частоте;m − дискретный временной индекс: m=0, 1, …, ( NT − 1) ;p − дискретный временной индекс по задержке: p=0, 1, …, ( Nτ − 1) ;q − дискретный частотный индекс: q=0, 1, …, ( N d − 1) , Ф=qδФ=Фq.Полная ДКФ определяется как: χ (τ , Ф) =Nτ −1∑χp =0p,q.Сравнительную оценку производительности вычислителя проведём наконкретном примере.

Возьмём следующие исходные данные (в дальнейшембудем оперировать этими цифрами):обрабатываемый сигнал: комплексный с полосой ∆f=5 МГц, сформированный наэтапе преобразования сигнала в цифровую форму [19];диапазон задержек: 100 мкс;максимальный частотный сдвиг: Фmax=5 кГц;общее число отсчётов NT возьмём кратное 2, в целой степени: NT=131072;В соответствии с этими исходными данными определим параметрывычислителя:тактовая частота: Ft=10 МГц ( δt = 1 / Ft = 0,1 мкс);интервал времени накопления: Tχ = N T δt = 131072 ⋅ 0,1 ⋅ 10 −6 ≈ 0,01 c;дискрет по частоте: δФ = Ft / N T = 1 / Tχ ≈100 Гц. Число отсчётов по частоте2Фmax 10 ⋅ 103Nd === 100 .