Кондратенков Г.С. Радиовидение (2005) (1151787), страница 36
Текст из файла (страница 36)
В результате вычисления модуля комплексного сигнала, поступающего с выхода ОБПФ, образуется 1Ч„+(Х„~-1) отсчетов выходного сигнала, из которых лишь первые 1Ч отсчетов являются «правильными», т.е. сигналом РЛИ. Поэтому только эти отсчеты поступают в систему индикации. После образования группы из Х отсчетов в процессе полета ЛА Нар новых отсчетов сигнала «вытесняют» из ЗУ столько же устаревших, и цикл обработки повторяется. Таким образом, при быстрой свертке РЛИ формируется по кадрам. Для выполнения БПФ или ОБПФ требуется 0,51оя2М операций комплексного умножения, причем Х = 2", где п — число итераций при выполнении БПФ. Поэтому требующееся число операций при быстрой свертке составляет 1Ч = Х„(Х„+ Х„, — 1)(1о92(Х„+ Х„~ — 1)+ 1) .
Заметим, что для выполнения БПФ и ОБПФ должно выполняться условие М„+(1Ч вЂ” !) = 2" . Эти операции необходимо выполнить в течение отрезка времени Х Т„, поэтому требуемое быстродействие 1 ~к(~ ~п +1 ~пр 1)(!о92(~ ~а +1 ~ар !)+ 1)~ПФ О с — ~ и ™ 190 Систсиы обработки сисиалоо РСА Ык21Чо(!ой22)Чи+1) ЛВ.4Ч(мпО„)ОоГ /2КиОо) 1 1 1~. б.21) При выводе выражения учтено, что 1ч„+ 1ч = 21ч„= 21ч, = =2К„О,/Х»1. Для рассматриваемого примера, в котором ЛК=Зкм, К„=!00км, Ьг=Зм, Ч = 250мlс, 0„=30, Х=Зсм, б, =1м и ширина Х ДН О, = к/и, — = 0,03, требуемое быстродействие составляет 6 млн опед, раций/с. При расчете величина 1Ч„= 1ч'„= К„О,/ог =1000 принималась равной 2 =1024 с целью выполнения алгоритма БПФ.
и 3. Способ гармонического анализа (ГА) представляет собой реали- зацию соотношения (6.8) с помощью многофильтровой системы. Этот способ основан на том, что азимут любого отражателя однозначно свя- зан со средней доплеровской частотой отраженного от него сигнала. При ГА опорная функция рассчитывается для центра зоны обзора: .4п Ч'1' ., Ь(1) =%(1)ехр 3 — — Ч1сояО„+ — яп~О„ Х 2К„ Она осуществляет компенсацию средней доплеровской частоты зоны обзора и фокусировку изображения (компенсацию ЛЧМ). В результате траекторный сигнал каждой точки зоны обзора имеет постоянную доплеровскую частоту.
Сигнал РЛИ в каждом канале дальности формируется путем преобразования Фурье от произведения принятого сигнала и опорной функции т ,/2 /. 4л (З(1)Ь (1)ехр~3 — ЧО;4 Й . -та/~ т,/я / и«)ь,о1ехр1д2кг,4а 1(О,) = -та я 191 При обработке сигнала способом быстрой свертки РЛИ формируется по кадрам, состоящим из 1Ч„~ отсчетов, поэтому )ч представляет собой не что иное, как число формируемых лучей )ч„. При этом сдвиг кадров по оси Х равен ЛХ = Ч1ч Тп . Если кадр РЛИ должен перекрывать всю зону обзора, определяемую шириной реальной ДН, то число правильных отсчетов равно максимальному числу лучей внутри ДН: 1Ч„~ = )ч'„= К„Оо/Ы, а полоса пРопУсканиЯ ПФ Рп = М .
Так как в этом слУчае 1Ч„~ = )ч„, а Ранее было показано, что пРи Рпа, =Л1о число отсчетов на выходе ПФ )ч„также равно )ч„, то )ч =)ч„. Поэтому сдвиг кадров по оси Х ЛХ = Ч1Ч„Тпф = ЧТ, = Х„а требуемое быстродействие Глава 6 В результате такой обработки в каждой полоске дальности формируется РЛИ зоны обзора по азимуту. Отсчет сигнала после ПФ на часто- 2Ч те $'„, = — О, соответствует сигналу РЛИ на азимутальном угле О,.
Процесс обработки сигнала способом ГА заключается в следующем. В ЗУ записывается 1ч„Х„(при отсутствии ПФ вЂ” И„)ч,) отсчетов сигнала, относящихся к одному интервалу синтезирования (рис. 6.14,в). Как и при других способах обработки, сигнал в ЗУ записывается строками по дальности, а считывается строками по азимуту. Считанный сигнал умножается на опорную функцию, и результат перемножения поступает в процессор, выполняющий БПФ. Комплексный сигнал с выхода процессора БПФ направляется в устройство вычисления модуля, на выходе которого формируется 1Ч„отсчетов сигнала РЛИ.
В результате обработки сигналов всех каналов дальности формируется кадр РЛИ с М строками. Далее хранимые в ЗУ отсчеты траекторного сигнала полностью обновляются. В результате обработки сигнала на другом интервале синтезирования образуется новый парциальный кадр и т.д. Каждый отсчет сигнала изображения в парциальном кадре соответствует определенной доплеровской частоте траекторного сигнала. Расстояние между фильтрами БПФ по частоте определяется интервалом синтезирования Ы = 1/Т,, поэтому расстояние между отсчетами РЛИ по азимутальной координате О; равно разрешающей способности РСА.
Полоса частот, обрабатываемых процессором БПФ, определяется частотой повторения входного сигнала, поэтому при огсутствии ПФ и частоте повторения зондирующих импульсов большей, чем ширина спектра доплеровских частот принимаемого сигнала на выходе процессора БПФ, имеются избыточные отсчеты РЛИ вне ширины ДН реальной антенны.
Применение ПФ устраняет избыточные отсчеты и снижает требование к быстродействию процессора. Иногда при обработке сигналов способом ГА требуется получить больше одного отсчета сигнала РЛИ на элемент разрешения по азимуту, т.е. обеспечить 1с, >1.
Для этого достаточно дополнить число отсчетов сигнала на входе процессора БПФ нулевыми отсчетами 1Ч = ($с, — 1)1ча . Добавление нулевых отсчетов не связано с расширением памяти, однако повышает требования к быстродействию процессора. Следует отметить, что в любом случае число отсчетов сигнала на входе процессора БПФ должно соответствовать числу 2", поэтому добавление нулевых отсчетов применяют также для выполнения этого условия.
Требуемое число комплексных умножений для получения всего кадра РЛИ при 1с, = 1 192 Система~ обработки сигналов РСА !л!гд — — !л!к!л1„(0,5 !очаг !л!и+1) . Для получения кадра РЛИ в реальном масштабе времени зти операции необходимо выполнить за время Т,, а поскольку при ГА число лучей !ч „= !л!о, то при максимальном значении !л1„= К„8 /Ы !ЧТО,51ойг!Ми+1) ЛК Ч(а1пйк)8о! (Ки0о~ При заданных выше параметрах и условиях работы РСА (АК =Зкм, К„=100км, М=бг=Зм, Ч=250 м/с, 0„=30', Л=Зсм, 6,=1м, 0 = Л/о, = О, 03 ) игл — — 1,5 млн операций/ с .
При расчете требуемого быстродействия для обработки сигнала способом ГА так же, как и при расчете требуемого быстродействия для способа БС, число отсчетов сигнала на выходе ПФ Х„= Х, = К„~~„/М = ЮОО было увеличено до 2 ' = Ю24, что требуется для выполнения БПФ. В связи с тем, что при ГА используется одна опорная функция для всей зоны обзора по азимуту, качество РЛИ по сравнению со способом прямой свертки снижается.
Это объясняется тем, что точно сфокусированным оказывается только центр кадра по азимуту (выбор размеров кадра при обработке с одной опорной функцией обсуждался в гл. 5). Кроме того, все азимутальные каналы имеют одинаковую весовую обработку %(1), и подстройка алгоритма для каждого частотного канала в процессе БПФ невозможна. Вместе с тем, поскольку при ГА снижаются требования к многоканальности системы обработки (одна опорная функция) и используется БПФ, обработка сигнала производится с высокой скоростью, что особенно важно для получения РЛИ в реальном масштабе времени. Для сравнения способов обработки по быстродействию сравним требования к быстродействию ЦП для получения в реальном масштабе времени РЛИ одного канала дальности ( 1чк =! ) при использовании ПФ с полосой пропускания Рпф — — М .
В этом случае число отсчетов сигнала на его выходе !Ч„= !Ч„, и выражения для требуемого быстродействия при различных алгоритмах обработки приобретают вид: ~„и2!Ч„(!ой 2!Ч„+ 1) !л1,(0,51олг !Ч„+ 1) пс Т ' вс Т ' гА Т с с с где под числом лучей !ч„подразумевается число лучей, перекрываю- щих всю диаграмму направленности реальной антенны. 7 — 3169 Глпва б ХК„ Число лучей 1ч„, как и время синтезирования Т, = ", за- 2ЬСУ в1п О„ висит от разрешения по азимуту: Х„= К„О /И .
Число лучей представляет собой не что иное, как коэффициент сжатия по азимуту 1с = О /ЬО, где ЬΠ— ширина синтезированной ДН. Зависимости отношений Овс 2(!ой~21с +1) . Огл 0,5(1ойл1~сж+ ) от коэффициента сжатия по азимуту приведены на рис. 6.15.
При высоком разрешении (большом 1с ) способ ГА имеет преимущества по быстродействию перед остальными способами, особенно перед способом ПС. Оь." ~ГА 6й'0п 0.2б олб оз о.о 0 200 400 600 300 1000 "с ~ Рис. 6Л5. Уменьшение требуемого быстродействия процессора при обработке траекторного сигнала способами ГА и БС по сравнению с ПС Способы цифровой обработки сигналов в РСА (прямой свертки, быстрой свертки и гармонического анализа), рассмотренные выше применительно к случаю синтезирования апертуры при прямолинейном и равномерном полете ЛА, можно обобщить и на случай произвольного движения ЛА. Необходимым условием для этого является определение опорной функции для каждого интервала синтезирования. Некоторые дополнительные особенности синтезирования апертуры антенны при квадратичной аппроксимации относительного расстояния «ФЦА — цель» и произвольном полете ЛА присуши лишь способу ГА, так как в этом случае используется одна опорная функция для всего кадра РЛИ, т.е.
не учитывается изменение крутизны ЛЧМ при изменении азимута отражателя. Поэтому при отклонении от центра кадра по азимуту разрешение будет ухудшаться и тем сильнее, чем дальше находится элемент разрешения от центра кадра. Это приводит к ограничению азимутального размера кадра допустимой расфокусировкой на его краях.
Маневрирование носителя увеличивает зависимость крутизны ЛЧМ сигнала от азимута отражателя, 194 Систеивг обработки сигналов РСА и поэтому ограничение на размер кадра д1. становится более жестким. Например, если представить маневр носителя в виде разворота с радиусом К,, соизмеримым с дальностью наблюдения, допустимая величина зоны обРаботки по азимУтУ дь дал~ к«1 УменьшаетсЯ с Увеличени- ! ~ 2к,.не„) ем интенсивности маневра (уменьшением й, ). Я При решении многих тактических задач с использованием РСА требуется минимизация задержки информации, обусловленной необходимым временем выполнения операций системой обработки сигналов. Минимизация времени задержки возможна прн использовании цифровой системы обработки (ЦСО).
При этом также достигается гибкость в управлении алгоритмами обработки прн изменении решаемых задач. Структура ЦСО состоит из ФД, АЦП, ЭВМ предварительной обработки для согласования и форматирования траекторных сигналов в запоминающем уегройстве н цифрового процессора (ЦП). Требуемый объем памяти ЦП определяется числом разрешаемых элементов в зоне обзора по дальности н азимуту, а также разрядностью АЦП и достигает 8... 10 Мбайт.
Требования по быстродействию ЦП для обеспечения работы РСА в реальном масштабе времени достигают значений 10в..ЛО комплексных операций в секунду. Снижение требований к быстродействию ЦП возможно за счет устранения избыточности частоты повторения траекторного сигнала по сравнению с полосой частот обрабатываемых сигналов и использования быстрых алгоритмов вычислений (БПФ).
Избыточность частоты повторения траекторного сигнала устраняется предварительной обработкой — суммированием нескольких сигналов соседних периодов повторения. Обычно различают три вида алгоритмов цифровой обработки: 1. Прямой свертки траекторного сигнала с опорной функцией. При согласовании опорной функции с траекторным сигналом каждой цели обеспечивается наивысшее качество РЛИ. 2. Быстрой свертки, когда операция свертки ведется в частотной области с применением БПФ, что обеспечивает выигрыш в требуемом быстродействии ЦП. 3. Гармонического анализа, когда траекторные сигналы приводят к форме, позволяющей использовать БПФ одновременно для всех сигналов в элементе дальности. Это требует предварительного выполнения над ними операций фокусирования, компенсации центральной частоты, учета ширины спектра и компенсации задержки огибающей в заданной зоне обзора по дальности и азимуту.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
