Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 84
Текст из файла (страница 84)
Простейшая гидролокационная система включает лишь преобразователь, возбуждаемый приблизительно на резонансной частоте (передатчик), и узкополосный обнаружитель энергии (приемник). В более сложных системах в передатчиках используются программируемые адаптивные модуляторы с многоэлементными управляемыми антенными решетками, а в приемниках — микропроцессоры и мини-ЦВМ в качестве устройств цифровой обработки. Проектирование приемно-передающих систем и выбор зондирующих колебаний направлены на решение двух задач: 1) обнаружение целей и 2) определение дальностей до целей, пеленгов целей и доплеровского смещения принятых сигналов.
Эти задачи имеют много общего в отношении синтеза эффективного сигнала и выполнения обработки в приемнике. На рис. 6.11 представлена система первичной обработки приемного устройства, а также ее главные компоненты, включая соответствующим образом выбранный зондирующий сигнал, акустический канал, квадратурньш коррелятор для демодуляции эхо-сигналов (по причинам, которые будут рассмотрены ниже, его часто называют согласованным фильтром), устройство с квадратичной характеристикой (может быть также пороговое устройство для обнаружителя) и индикаторы дальности, пеленга и доплеровского смещения.
В данном разделе будут рассмотрены некоторые из наиболее широко используемых сигналов, особенности выполнения операции коррелирования, а также характеристики системы, описываемые структурой функции неопределенности используемых сигналов. В настоящее время существует всего несколько элементарных видов колебаний, или сигналов, несмотря на то, что теория синтеза сигналов разработана весьма детально. Процесс совершенст- Глава б 392 ОбРаботка сигналов в гидролокации 393 та = 3,5кГц, ~о Т= 10 мс, ЬТ= 1,А-мс, И~= 700Гц 00 ( 1аОо ~ Оо ) Оо Гр=збкгц, 7=10мс, %=100Ги, ф Ъ 1О ~Д 5б 85 10 1;мс та=5,5кГЙ, Т=10 мс И/Т= (6.1) (6,2) И,СЧ=~/ ' аи)Саа[2П~~-Рср(П1 (6.
3) , д,, „,л я КоаОРап УРные Ъ 1(пе енос спенптра г огласоеанные р тилыпры ! номплелсного ~ сигнала1 ~Ф2 Амплитудная модуляция 7я: грозовая модуляция Рис. 6.11. Блок-схема первичной обработки гидролокационных сигналов, основан- ной на квадратурной согласованной фильтрации, вования акустических сигналов имеет много общего с развитием радиолокации, поэтому читателю, интересующемуся этими вопросами, следует обратиться к гл.
5 [39 — 411. В простейшем случае сигнал — это просто отстробированное непрерывное гармоническое колебание, описываемое следующим образом: и,р)= р' ' саи(2п1,б при О(2(т, о при других 1, где Е~ — излучаемая энергия, Т вЂ” длительность импульса, центральная частота. Длительность сигнала может составлять от долей миллисекунды до 1 — 2 с, а центральная частота — от нескольких сотен герц до десятков килогерц в зависимости от назначения системы. Несколько примеров гидролокационных сигналов представлено на рис. 6.12.
Импульс может генерироваться посредством либо простого стробирования, либо ударного возбуждения преобразователя, хотя реальный сигнал, распространяющийся в воде, оказывается при этом несколько иным за счет ограниченной ширины полосы преобразователя. Поэтому правильнее в качестве модели излучаемого сигнала использовать колебание вида и,Р)=- $Г ' афсап~2п1,тс ~) О, о, ~~0, где а(~) — коэффициент модуляции, обусловленный конечной полосой передатчика. Ниже будет показано, что использование эле- Рис.
6.12. Примеры типичных гидролокационных сигналов с центральной частотой 1с=3,5 кГц. а — прямоугольный монохроматический импульс; б — кодированный импульс; в — ЛЧМ-ии- пульс; г — кодированные импульсы со ступенчато изменяющимися частотамн ментарного отстробированного гармонического колебания накладывает ряд ограничений, хотя технически его генерация наиболее проста. Следующий класс образуют сигналы в виде последовательности отстробированных гармонических импульсов, полярность которых (а в общем случае их фаза) модулируется в соответствии с тем или иным алгоритмом синтеза сигналов. Чаще всего для модуляции используется псевдослучайная или псевдослучайная шумовая последовательности.
Их преимущества станут ясными при анализе функций неопределенности. Один из примеров использования псевдослучайной последовательности импульсов приведен на рис. 6.12, б. К классу сигналов, обеспечивающих разрешение гидролокатора по дальности, а также достаточно просто генерируемых, относятся сигналы, модулированные по частоте (ЛЧМ-сигналы). В общем виде эти сигналы описываются формулой Обработка сигналов в гидролокации 395 Глава б 394 где тг(1) =2лр —, р — скорость изменения частоты, а ст.(1) — ис- Р пользуемая фазовая модуляция. Так как по определению мгновенная частота равна производной от фазы, то легко увидеть, что при данном виде модуляции частота сигнала на интервале излучения изменяется по линейному закону .~см.
рис. 6.12,в1. Кроме ЛЧМ могут быть использованы и другие виды фазовой модуляции, например по закону гиперболического косинуса или со ступенчатым изменением частоты с помощью программируемого синтезатора частоты. Во всех случаях наиболее важными параметрами сигналов являются ширина полосы и скорость изменения частоты. В некоторых наиболее совершенных системах акустической связи могут применяться частотно-кодированные сигналы, основанные на использовании в частотной области двоичных псевдослучайных последовательностей.
Для сигналов этого класса сообщение, а также соответствующая ему избыточность, если только она используется, кодируются в виде набора гармонических составляющих с различными частотами, которые излучаются одновременно. Вид колебаний этого класса во временной области может показаться слишком сложным, но в частотной области им соответствует набор взвешенных гармонических компонент, имеющих конечную длительность и разнесенные частоты. Эти колебания описываются следующим образом: з,(1) =-а(~) ~~~ а„соз12л Ц,+п®~1.
(6.4) и= — Х Один из примеров колебания этого класса представлен на рис. 6.12, г. При описании активных гидролокационных систем целесообразно различать широкополосные и узкополосные системы. В широкополосных системах приходится использовать прямое представление сигналов в основной полосе, тогда как в узкополосных системах более удобным оказывается квадратурное (т.
е. комплексное) представление. Различие между широкополосными и узкополосными системами является, вообще говоря, довольно произвольным. Удобнее всего пользоваться следующим критерием узкополосности: ширина полосы системы не должна превышать 10 4 о~ несущей (т. е.
центральной) частоты. Комплексное (или квадратурное) представление узкополосных сигналов очень удобно для описания доплеровского и фазового смещений, обусловленных эффектами распространения и отражения. Поскольку большинство активных систем узкополосные, то ниже будет использоваться именно комплексное представление. При комплексном представлении вводятся две квадратурные компоненты относительно центральной частоты сигнала.
Они мо- гут быть получены посредством демодуляции узкополосного сигнала по отношению к опорным косинусоидальному и синусоидальному колебаниям центральной частоты (рис. 6.13). Легко убедитьдиться в том, что исходный узкополосный сигнал может быть восстановлен следующим образом: 1 (~) = ~с (~) соз (2я1с1) + ~з (1) яп (24с1) (6.5) Для описания как обеих квадратурных компонент, так и узкопо- лосного сигнала удобно пользоваться так называемой комплекс- ной огибающей, определяемой так, что (6.6а) (6.6б) Ясно, что модуль комплексной огибающей совпадает с истинной огибающей самого сигнала, а ее фаза равна фазовому сдвигу узкополосного сигнала относительно косинусоидального опорного колебания центральной частоты.
Отсюда следует, что комплексную огибающую сигнала часто можно найти непосредственно из его аналитического выражения. Так, для ЛЧМ-сигнала (6.3) з, (~) =1' 2Е,Ке [з, (~) е' 'чс'1, (6.7) где з,(~)=, а(1)е ~'т Использование комплексного представления упрощает запись многих алгоритмов первичной обработки сигналов активных гидролокационных систем. Наиболее важным из них является, по-видимому, алгоритм коррелирования двух узкополосных сигналов.
Легко показать, что если условие узкополосности выполняется, то хЯУЯ И= -- Ке11. *(~) й(~) й). (6. 8) Следует также отметить особенности аппаратурцой реализации при использовании комплексного представления. Комплексная огибающая — это низкочастотное колебание, поэтому частота дискретизации при реализации обработки в цифровой форме может быть взята намного меньшей, чем при непосредственной дискретизации принятого сигнала. Именно поэтому при построении некоторых активных гидролокационных систем используются изображенная на рис. 6.13 схема квадратурной демодуляции, а также комплексное представление для записи алгоритмов обработки. форма сигнала, который принимается приемным устройством после излучения зондирующего сигнала, также в сильной степени определяется условиями распространения и отражения акустиче- 396 Глава б Обработка сигналов в гидролокации 'Ф„ 4Ю АФ етяотй ' огорд о основной оооо Уятгооол сиги ИО агут) О -ИО 130 .агут70 О ИО о уГФ О вЂ” 1ВО -!а О Рис.
6.13. а — квадратурнып демодулятор; б — комплексные огибающие 1амплитуда и фаза) акустических сигналов, изображенных иа рис. 6.12. ских волн. Для учета этих условий вводятся модели канала разной сложности, причем даже для простейшей из них, соответствующей точечной, медленно флуктуирующей цели, необходимо обращаться к основной, а именно к корреляционной структуре приемника. В рамках этой модели предполагается, что принимается задержанная и смещенная по Доплеру копия зондирующего сигнала в присутствии белого (т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
