Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 61
Текст из файла (страница 61)
Ширина ДН прямо пропорциональна длине волны К 18 — 85Э 275 Применение ЦОС в радиолокации 274 Глава 5 излучаемого колебания и обратно пропорциональна линейному размеру антенны, т. е. Ширина ДН вЂ” —. Х (5.2) 1. Следовательно, хорошее угловое разрешение можно получить, используя либо радиолокатор с высокой несущей частотой, либо большую антенну. В более сложных системах для улучшения углового разрешения используются специальные методы обработки сигналов (примером могут служить рассматриваемые ниже радиолокаторы с синтезированием апертуры). 5.2.2. Дальность В радиолокаторе измерение дальности сводится к измерению временного интервала.
Пусть в момент 1=0 излучается бесконечно короткий импульс. Если цель находится на расстоянии Я, то эхосигнал будет принят в момент ~=Т, соответствующий времени распространения импульса до цели и обратно, т. е. 2К Т= Ф е где с — скорость света. Разрешающая способность радиолокатора по дальности Р,. пропорциональна разрешению по времени, которое для монохроматического импульса равно его длительности о: Р,= —. (5.4) Если облучаются две цели, то должен быть взят более короткий излучаемый импульс для того, чтобы обеспечить разделение отражений от каждой из целей.
Однако укорочение импульса может оказаться серьезной проблемой, если передатчик радиолокатора имеет ограниченную пиковую мощность, поскольку энергия излучаемого импульса пропорциональна его длительности. В результате прц использовании простого моцохроматического импульса увеличение разрешающей способности радиолокационной станции по дальности будет сопровождаться уменьшением дальности ее действия. Одним цз достижений теории обработки сигналов является принцип сжатия импульсов, который заключается в следующем.
Для обеспечения разрешения радиолокационной станции по дальности используются широкоплосцые сигналы большой длительности, например импульсы с линейной частотной модуляцией (ЛЧЧ- импульсы). Большая длительность сигнала позволяет излучить энергию, достаточную для работы радиолокатора на больших дальностях, а за счет широкой полосы сигнала обеспечивается высокое разрешение по дальности, так как при согласованной фцльт- рации оно обратно пропорционально полосе сигнала. Вопросы построения цифровых согласованных фильтров, в которых для вычисления высокоскоростной свертки используется алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ), и составляют наиболее существенную часть остального материала настоящей главы. 5.2.3. Скорость Для определения скорости цели измеряется смещение частоты отраженного сигнала относительно частоты излучения.
Если излучаемый узкополосный сигнал имеет центральную частоту ~о, а отражающий обьект движется с постоянной скоростью, радиальная составляюш я которой равна о, то принимаемый эхо-сигнал будет смещен по частоте на величину, ~пропорциональную ~о. Смещение частоты ~о, называемое доплеровским, рассчитывается по следующей формуле: (5.5) Для измерения доплеровского смещения можно использовать спектральный анализ, причем разрешение радиолокационной станции по скорости будет определяться тем минимальным частотным смещением двух сигналов относительно друг друга, при котором их еще можно различить. Так как ширина полосы монохроматического сигнала уменьшается при увеличении его длительности, то разрешение по скорости пропорционально длительности излучаемого сигнала. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен при анализе функции неопределенности.
В заключение отметим, что увеличение разрешения радиолокатора по скорости может быть достигнуто соответствующим увеличением несущей частоты (или, что то же самое, уменьшением длины волны Х). Эффективность применения цифровых методов обработки сигналов при определении углового положения, дальности и скорости цели станет понятной несколько позже, после рассмотрения общей теории обработки сигналов (она изложена в разд. 5.4) и некоторых конкретных радиолокационных систем. 5.3. Импульсные радиолокаторы В современных мощных радиолокационных системах излучается последовательность одиночных, не обязательно одинаковых импульсов.
Временные интервалы для таких радиолокаторов в пределах одного периода повторения импульсов показаны на рис. 5.2. Импульс длительности Т излучается в момент 1=0. Через интервал Л излучается следующий такой же или, возможно, другой импульс; Л вЂ” период повторения импульсов, 1/Л вЂ” частота их повторения. В мощных радилокационных системах, где каждый иэ излучаемых ~ве 277 276 Глава 5 Применение ЦОС в радиолокации импульсов может быть предназначен для проведения измерений определенного вида, в том числе дальности до цели, период повторения может меняться. Если для излучения и приема исполь.зуется одна и та же антенна, то начать прием раньше момента 1= Т невозможно. Возможный интервал приема начинается при .у=Т, а заканчивается при 1=1.
Он включает в себя интервал при- ~жл7ежал лри- Рис, 5.2. Временные интервалы в импульсном радиолокаторе. ема и дальномерный интервал приема'>. Дальности радиолокационного наблюдения за всеми представляющими интерес целями ограничены некоторыми пределами Ям, и Я .„, определяющими .дальномерный интервал приема, начинающийся в момент 1) = =2Й „/с и заканчивающийся в момент 12=2Я„„,/с.
Для сжатия импульсов с помощью согласованной фильтрации, обычно выполняемой в устройстве обработки сигналов, необходимо принимать эхо-сигнал на интервале, превышающем дальномерный на величину длительности импульса Т (его называют интервалом приема). Эти временные интервалы представлены на рис. 5.2. Длительность интервала приема относится к числу важных нараметров обработки, особенно в цифровых системах, для которых этот интервал определяет объем информации, который должен быть обработан на каждом периоде повторения, а также емкость накопителя и скорость вычислений. 5.3.1. Неоднозначность Необходимо отметить, что использование последовательности импульсов с постоянным периодом повторения приводит к неоднозначности в измерениях дальности.
Эхо-сигналы, отраженные от целей, дальность до которых превышает К =сЛ/2, будут приняты на последующих периодах повторения, что может привести к неоднозначности. Так, например, в момент 1=2Т+Х могут быть приняты эхо-сигналы сразу от двух целей; импульс, излученный в момент 1=0 и отраженный от цели на дальности Я= (с/2) (2Т+Х), ') Иногда используется более сложный режим работы, заключающийся в чередовании излучения и приема Пачек импульсов. и в момент 1=Те+К он будет равен у (Т + ~) р (2~ ~,'с) с)2к~„(2гь,'с) (5.6) тогда как эхо-сигнал от первого импульса в момент г'=Те был ра- вен (5.7) у (Т„) = з (҄— Т„) = з (О) = 1. В общем случае в моменты 1=Т,+пК эхо-сигнал принимает значения у (Т + ц ~) с)4гвзл,л (5.8) и, следовательно, он действительно представляет отсчеты синусоидального колебания с частотой, равной доплеровскому смещению Ь=2о/Х, взятые в моменты времени 1=иЛ.
Для измерения /о мож- а также импульс, излученный в момент 1=А и отраженный от цели на дальности Я=сТ. Однозначное измерение дальности будет 'обеспечено, если дальномерный интервал ограничить соседними импульсами излучения. Исключить неоднозначность можно, также меняя период повторения импульсов, с тем чтобы сместить относительно друг друга моменты появления наложенных эхо-сигналов, и выделяя затем с помощью сравнительно несложных алгоритмов эхо-сигналы от различных целей. Выше при рассмотрении процесса измерения скорости по величине доплеровского смещения предполагалось, что излучается непрерывный монохроматический сигнал.
Допустим теперь, что этот сигнал имеет несущую частоту 1„промодулирован импульсной последовательностью, причем каждый импульс пачки начинается с нулевой фазы, и что дальность до цели на протяжении многих периодов повторения меняется мало (по сравнению с величиной разрешения по дальности). Покажем, что в таком импульсном радиолокаторе дискретизуется синусоидальное колебание, частота которого равна доплеровскому смещению, так что измерение ско- Р ости сводится к спектральному анализу непрерывного во времени сигнала после его дискретизации.
Отметим, что дискретныи характер спектрального анализа не зависит от того, является устройство обработки сигналов аналоговым или цифровым. В момент 1=0 начинается излучение сигнала з()) =р(~)е~2и)о'. Эхо-сигнал от движущейся цели, находящейся на дальности Яв, принимается в момент 1= Тв. Он будет иметь вид з (~ — То) = р (~ — То) е) 2 ~о (~ — го) При повторном излучении в момент 1=А цель переместится по дальности на величину оЛ, так что фазы отраженных сигналов в моменты 1=Та и 1=Те+К будут различными. Эхо-сигнал от второго излучеиного импульса будет иметь вид у (~) =з (1 — Л вЂ” (Т вЂ” 2о Л/с)), Глава б но, предварительно накопив Ж отсчетов эхо-сигнала, выполнить дискретное преобразование Фурье этих отчетов с использованием, например, алгоритма БПФ.
Так как отсчеты представляют дискретизованный сигнал, то частотный спектр будет иметь периодическую структуру с периодом ~о — — 1/Л. Итак, измерениям скорости в импульсном радиолокаторе также свойственна неоднозначность, которую, как и в измерениях дальности, можно исключить, меняя частоту повторения излучаемой импульсной последовательности. Ю о $ СЗ х о о О Г 5.3.2. Поточная обработка Радиолокатор, излучающий пачки коротких импульсов, естественным образом приспособлен к поточной организации обработки сигналов. Напомним, что устройство цифровой обработки радиолокатора (см.
рис. 5.1) должно включать три подсистемы: цифровой согласованный фильтр, обнаружитель цели и устройство вторичной обработки. Данные проходят через все три подсистемы последовательно. Один из вариантов организации обработки заключается в том, что все данные, поступающие на каждом интервале приема, полностью обрабатываются до начала следующего интервала. Однако при такой организации каждая из подсистем будет простаивать в среднем одну треть времени. Полная занятость подсистем обеспечивается при поточной организа ии бработки. Если считать, что продолжительность обработки одного массива данных (относящегося к одному интервалу приема) одиб иакова у всех трех подсистем, то для организации поточной об отки достаточно между подсистемами ввести буферные накопители, так что на каждом периоде повторения все подсистемы будут обрабатывать массивы данных, относящиеся к разным интервалам приема'~.
При такой организации все три подсистемы могут работать одновременно. Последовательность выполнения операций при поточной обработке показана на рис. 5.3. После излучения первого импульса ИО следует интервал приема эхо-сигналов ИПО, на котором отсчеты эхо-сигнала накапливаются в быстродействующей буферной памяти БП1. Частота поступления данных в БП1, согласно критерию Найквиста, должна, как минимум, вдвое превышать наибольшую частоту спектра эхосигнала в основной полосе. Полоса радиолокационного сигнала составляет в среднем 10 — 60 МГц, поэтому для построения буфера БП1 на существующей элементной базе может потребоваться мультиплексирование блоков памяти с меньшим быстродействием, а также соответствующая, достаточно сложная схема управления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
