Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 77
Текст из файла (страница 77)
Структура устройства цифровой обработки сигналов РСА в значительной степени будет определяться |используемыми элементами. Ниже ,рассматриваются требования, предъявляемые к объему памяти для хранения данных и быстродействию устройства обработки. В РСА для каждого зондирующего импульса приходится накапливать данные, относящиеся ко всем интересующим нас дальностям. Если для обеспечения разрешения по дальности используется сжатие импульсов с ~помощью согласованной фильтрации, то этот вид обработки может быть выполнен непосредственно над входными данными. Для получения разрешения по азимуту ~необходимо накопить данные по большому числу зондирований. Если накапливаемые данные размещаются в ~виде матрицы (рис.
5.51), элементы которой упорядочены по дальности и по времени, то заполнение матрицы производится по столбцам. При сжатии сигналов по азимуту ~необходима совместная обработка отсчетов, размещающихся на одной строке. Для хранения накапливаемых отсчетов требуется память весьма большого объема. Кроме того, достаточно громоздкой оказывается и сама обработка, так как для каждой дальностной полосы требуется ~свой, отличный от других фильтр, обеспечивающий сжатие импульсов по азимуту. Приведем конкретный пример. Пусть разрешающие способности по азимуту и по дальности равны, причем общий диапазон просматриваемых при съемке дальностей равен Лг. Тогда в каждом столбце матрицы на рис.
5.51 будут содержаться Лг/(Ц2) = Глава 5 360 ПРименение ЦОС в радиолокации 361 2Лг 2~Яиакс 4ЛаМмакс у ('3 (5.65) 0~о ("~="1)~ — ) — (с( — х2)2 Г Я вЂ” В сг~ +В сг~ (5.67) Данные РСА, олгносяи(лося к наклонной далснос«ли е~ ~~о 1 — [2(х1 — х2)с( — х2 Х21 В сг~ 2 11 (5 68) =.ля/Е=М отсчетов, а в каждой строке будет находиться У(г)) =2Лг,/Е2 отсчетов (предполагается, что частота дискретизации ранна частоте Найквиста). Итак, требуемый объем ~памяти составляет Объем вычислений определяется со~вокупным количеством операций, которые выполняются в М параллельно работающих каналах сжатия импульсов по азимуту.
В каждом из этих каналов Время Рис. 5.51. Размещение накапливаемых данных, подлежащих обработке в РСА, в виде двумерной матрицы. производится согласованная фильтрация по Л'(~() =2Л~(/П отсчетам, так что при прямом вычислении сверток количество опе,раций, отнесенное к одному периоду повторения зондирующих импульсов, ограничивается величиной 2МЛЯ „,/1.' умножений. (5.66) Если рассмотреть типовые характеристики РСА, то можно убедиться, что предъявляемые требования исключительно высоки.
Прп А~=10 км, Л=З см, Ямакс=10 км, 1.=2 м и р=400 м/с) время умножения не должно превышать 1,67 нс (что соответствует 6 10' умножениям в секунду), а память должна обеспечивать накопление 1,5.10' комплексных слов. Требование к быстродействию можно снизить, если использовать алгоритм высокоскоростной свертки с применением БПФ и распараллеливание операций, но даже при этосом необходимая скорость вычислений остается все еще слишком высокой. Более того, объем памяти на самом деле требуется увеличить, так как необходимо промежуточное ~накопление данных.
При работе РСА в телескопическом режиме применение алгоритма БПФ создает дополнительные возможности сокращения требуемого быстродействия и практической реализации устройства обработки сигналов РСА. 5.10.3. РСА в тепескопическом режиме Тот факт, что частота принимаемого сигнала при изменении азимута цели меняется по линейному закону, позволяет создать устройство, в котором с помощью алгоритма БПФ выполняется обработка, эквивалентная сжатию импульса. Она включает ЛЧМ- демодуляцию и спектральный анализ. При этом разрешение по азимуту о~беспечивается за счет того, что различные цели имеют неодинаковые значения доплеровского смещения частоты. Рассмотрим эхо-сигналы от двух целей, находящихся на одной ~и той же дальности г„но смещенных по азимуту так, что для одной из них х=хы а для другой х=х2. Если, как и ранее, опраничиться предположением, что частота эхо-сигналов меняется по линейному закону, то принятый сигнал будет равен сумме двух ЛЧМ-сигналов, т.
е. П риняв х( за начало отсчета и, умножив «(1) на сигнал, комплексно-сопряженный с ЛЧМ-сигналом, при~нятым от цели с азимутом х=хь получим Эта а операция, заключающаяся в устранении члена с квадратичным изменением фазы, иногда называется ЛЧМ-демодуляцией. После выполнения этой операции разделение эхо-сигналов от обеих целей может быть выполнено с помощью спектрального анализа. Эхо-сигнал от цели, находящейся в точке начала отсчета х=х(, будет размещаться на нулевой частоте, а от цели с азимутом х=х2 — на частоте 2(ооо(х( — х2)/сг,. Таким образом, устройство цифровой обработки сигналов РСА может содержать умно- житель для ЛЧМ-демодуляции с последующим выполнением БПФ.
Использование именно алгоритма БПФ принципиально необходимо для того, чтобы можно было создать устройство обработки, работающее в реальном времени. Возможность использования алгоритма БПФ ограничена небол ольшои областью, сконцентрированной вокруг точки начала отсчета х=х,, так как только вблизи нее справедливо предположение о линейном изменении частоты.
Следовательно, описанный метод обработки сигналов естествен~но подходит для использова. ния РСА в телескопическо~м режиме. Съемка отдельных небольших областей вокруг точки начала отсчета производится незави. симо, а затем из малых радиолокационных карт составляется одна большая карта. Применение ЦОС в радио юкаиии Глава 5 362 363 Еще один вопрос, с которым ~приходится сталкиваться при формировании радиолокационной карты с помощью алгоритма БПФ, касается ширины полосы частот, в которой выполняется спектральный анализ после операции ЛЧМ-демодуляции.
За счет импульсного характера излучаемого колебания эхо-сигнал, соответствующий одной и той же дальности, будет дискретизован, причем частота дискретизации оказывается больше частоты девиации ЛЧМ-сигналов, принимаемых, после отражения от отдельных точечных целей, размещающихся в пределах области, облучаемой диаграммой антенны. Поэтому, как это обычно имеет место, ширина полосы частот, в которой выполняется спектральный анализ с помощью алгоритма БПФ, может быть взята намного меньше частоты дискретизации (на практике ограничением является аппроксимация частотного хода линейным законом).
Поэтому целесообразно сначала ограничить полосу сигнала, относящегося к постоянной дальности, до допустимой величины и лишь после этого выполнить БПФ, но меньшего размера. В РСА эту операцию называют предварительным суммированием, так как одна из ее возможных реализаций заключается в простом сложении нескольких последовательных отчетов. С точки зрения цифровой обработки сигналов эта операция заключается в прореживании отсчетов по времени и понижении таким способом частоты дискретизации.
Для того чтобы избежать наложений спектров в выделяемой полосе частот, необходимо использовать цифровой фильтр нижних частот. Элементарный подход, заключающийся в суммировании последовательных отсчетов, эквивалентен использованию фильтра нижних частот с ~прямоугольной импульсной характеристикой, частотная характеристика которого пропорциональна з1п Л1о/М з1п о. Использование операции предварительного суммирования при обработке сигналов телескопического РСА позволяет во много раз уменьшить объем вычислений.
Для подавления в частотной области больших боковых лепестков, характерных для фильтра с .прямоугольной импульсной характеристикой, можно использовать другие импульсные характеристики или, возможно, оптимальный фильтр нижних частот. Очевидно, что с аппаратурной точки зрения их ~реализация будет более сложной, так как в фильтре с прямоугольной импульсной характеристикой не используются умножения, а выполняются только сложения. Отметим еще одно преимущество, связанное с использованием алгоритма БПФ при обработке сигналов телескопического РСА.
Так как эхо-сигналы, относящиеся к одной и той же дальности, умножаются на эталонный сигнал, соответствующий точке начала отсчета, то можно просто построить схему компенсации движения за счет такого изменения эталонного сигнала, которое учитывало бы фактическую траекторию ~полета. Если траектория является прямой, то эталонный сигнал представляет собой ЛЧМ-сигнал, в противном случае необходимо обеспечить модуляцию эталонно- го сигнала по фазе, котоРая выполняется с по~мощью инерциаль ной навигационной системы и предназначена для коррекции ткло~нений траектории полета от прямой линии и непостоянства скорости ~полета.
Эта коррекция движения особенно важна при съемке с высокой разрешающей способностью. Благодаря присущей цифровым методам универсальности имеется возможность коррекции движения в реальном времени в процессе приема данных. 5 11 Заключение В даннои главе было рассмотрено применение цифровых методов обработки сигналов в радиолокационных системах нескольких типов. Основные преимущества цифровых устройств обработки заключаются в их универсальности и высокой точности, которую они могут обеспечить. Благодаря универсальности этих устройств можно реализовать множество самых, разнообразных алгоритмов обработки и легко ~приспосабливаться к изменяющейся целевой обстановке. Для разработчика системы точность обработки является параметром, изменяя который можно найти приемлемый компромисс между характеристиками системы и объемом ее оборудования, который возрастает при увеличении разрядности слов.
Анализ различных радиолокационных систем показал, что алгоритм БПФ играет важную роль при реализации как высокоскоростной свертки, так и спектрального анализа. На примере поточного согласованного фильтра, основанного на алгоритме БПФ, проиллюстрирован один из подходов к построению систем с очень высокой производительностью, связанный с ~распараллеливанием операций и применением быстродействующих схем. При разработке цифровых систем радиолокатора или в случае каких-либо других применений всегда приходится выбирать элементную базу. Среди серийно выпускаемых интегральных микросхем имеются ИС самых, различных типов, начиная с ИС высокой интеграции, но невысокого быстродействия и кончая быстродействующими ИС более низкого уровня интеграции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
