Военная академия войсковой противовоздушной обороны



Скачать 126.42 Kb.
Дата17.10.2016
Размер126.42 Kb.
ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОЙСКОВОЙ ПРОТИВОВОЗДУШНОЙ ОБОРОНЫ

ВООРУЖЕННЫХ СИЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИМЕНИ МАРШАЛА СОВЕТСКОГО СОЮЗА А.М. ВАСИЛЕВСКОГО



АНАЛИЗ СТАБИЛЬНОСТИ И ИНФОРМАТИВНОСТИ ДОПЛЕРОВСКОГО ПОРТРЕТА ВОЗДУШНОГО ОБЪЕКТА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ЧАСТОТЫ ЗОНДИРУЮЩИХ СИГНАЛОВ

Автор: преподаватель 10 кафедры (радиотехнических средств наблюдения) Военной академии войсковой противовоздушной обороны Вооруженных Сил Российской Федерации имени Маршала Советского Союза А.М. Василевского майор Мурашкин А.В.,

адъюнкт 10 кафедры (радиотехнических средств наблюдения) Военной академии войсковой противовоздушной обороны Вооруженных Сил Российской Федерации имени Маршала Советского Союза А.М. Василевского капитан Романенко А.В.

Смоленск – 2014

Авторы научной работы
Мурашкин А.В.

Романенко А.В.

«__» сентября 2014 года

1 Актуальность и проблематика научной работы

В настоящее время широко применяются и развиваются методы класификации воздушных объектов (ВО) по их траекторным и сигнальным признакам. Наибольшее распространение получили методы классификации ВО по дальностным портретам, которые могут формироваться за счет использования широкой полосы частот в импульсе, применения сверхкоротких импульсов или использования поимпульсной перестройки частоты. В серийных отечественных РЛС такие сигналы не применяются. Поэтому в качестве векторного признака классификации, отражающего структуру объекта, в настоящее время может быть использован только доплеровский портрет, сформированный методом инверсного синтезирования апертуры.

Не проверялся экспериментально и тот факт, что вторичные интегральные признаки классификации, извлекаемые из спектрального доплеровского портрета, сохраняют свою стабильность и информативность при смене несущей частоты в пределах квазиоптической области рассеяния радиоволн, а также отвечают условиям локации и архитектуре объекта. Поэтому задача проверки стабильности и информативности доплеровского портрета ВО при изменении частоты зондирующих сигналов в интересах повышения качества классификации объектов является актуальной.

2 Цели научной работы

Целью работы является проверка стабильности и информативности доплеровского портрета ВО при изменении частоты зондирующих сигналов, позволяющего повысить качество классификации этих объектов.



3 Задачи научной работы

Для достижения цели исследования необходимо решить следующие задачи:

разработка способа извлечения полезной информации из отраженных сигналов по данным от двух РЛС, сопровождающих один и тот же ВО;

анализ временных и частотных характеристик сигналов, отраженных ВО;

определение степени влияния несущей частоты зондирующих сигналов на структуру доплеровских портретов ВО.

В ходе экспериментальных работ к регистрирующей аппаратуре были подключены коаксиальными кабелями две РЛС одного диапазона длин волн. Регистрирующая аппаратура осуществляла непрерывное преобразование в цифровой код сигналов, поступающих с обеих РЛС на промежуточной частоте 28Fд МГц. С помощью цифрового фазового детектора осуществлялось детектирование и разложение отсчетов отраженных сигналов на квадратурные составляющие. Опорное напряжение для фазового детектора подавалось на частоте 28 МГц, соответствующей средней частоте линейно-частотно модулированного (ЛЧМ) сигнала. Поскольку сжатие отраженных сигналов предполагалось осуществлять цифровым методом, то выбор частоты дискретизации отраженного сигнала на промежуточной частоте для записи в память ЭВМ определялся шириной спектра зондирующего сигнала (ЗС). Ширина спектра ЛЧМ импульсов в РЛС составляет Fлчм= 0,9 МГц (на промежуточной частоте от 28±0,45 МГц). Полученные после детектирования квадратурные составляющие в бинарном коде записывались на жесткий диск ЭВМ в виде двухбайтовых целых чисел со знаком. Указанный формат обеспечивал динамический диапазон записи амплитуд отраженных сигналов, равный 45 дБ.

В целях проверки наличия полезной информации в полученных записях отраженных сигналов в РЛС, работающих в ЛЧМ-режиме, производилась обработка экспериментальных данных по следующей методике. Специально разработанное программное обеспечение позволяло выводить на экран монитора ЭВМ модульные значения оцифрованных последовательностей. Для примера на рисунке 3.1 показаны модули комплексных огибающих импульсов для самолета Airbus А321 на выходе с обеих РЛС.

Обе РЛС работали в режиме «50 км» с излучением ЛЧМ-сигналов. Длительность ЗС равнялась и=120 мкс. Наблюдаемые на рисунке 3.1 излучаемые и отраженные от ВО сигналы действительно имеют длительность и120 мкс. В данном режиме работы РЛС наблюдалась вобуляция периода следования ЗС от импульса к импульсу. Наличие на выходе приемника излучаемого зондирующего сигнала объясняется его неполным подавлением элементами приемного тракта.


Рисунок 3.1 – Огибающая отраженного сигнала на промежуточной частоте

для самолета Airbus А321 на дальности D=29 км и курсовом угле ≈90


В связи с тем, что обе РЛС сопровождали объект на одной и той же дальности, то есть сопровождали один и тот же воздушный объект, то и расстояния между зондирующими и отраженными сигналами, полученными как от первой, так и от второй РЛС, практически равны между собой. Различия в амплитуде ЗС объясняется неравенством коэффициентов усиления сигналов первой и второй РЛС.

Аналого-цифровое преобразование отраженных сигналов осуществлялось на промежуточной частоте до сжатия. Для анализа экспериментальных данных сжатие отраженных ЛЧМ-сигналов проводилось с помощью синтезированного цифрового фильтра. Для синтезирования фильтра использовались комплексно-сопряженные последовательности отсчетов зондирующего сигнала, индивидуальные для каждого периода повторения. Алгоритм фильтрации отраженных сигналов в одном периоде следования аналитически может быть представлен формулами


(3.1)
где – амплитудные значения квадратурных составляющих ЗС; – квадратурные составляющие оцифрованных отсчетов амплитуды сигналов на выходе приемника; – квадратурные составляющие отраженного сигнала после процедуры сжатия цифровым фильтром; Т – количество комплексных отсчетов в периоде повторения Ти; – количество комплексных отсчетов, укладывающихся в пределах длительности ЗС передатчика и.

Варианты модулей комплексных огибающих сжатых цифровым фильтром сигналов, приведенных на рисунке 3.1, иллюстрируются рисунками 3.3 и 3.4 для первой и второй РЛС соответсвенно.


Рисунок 3.2 – Огибающая отраженного сигнала на промежуточной частоте после цифровой фильтрации поданным первой РЛС

Использование девиации частоты ЗС Fлчм=0,9 МГц обеспечивает при фильтровой обработке сжатие отраженных сигналов до 1,1 мкс.

По временной задержке отраженных сигналов, относительно излучаемого импульса, определялась дальность до ВО. Дальности, измеренные по времени задержки отраженного сигнала, совпадают с дальностями, измеряемыми аппаратурой РЛС в ходе проведения натурного эксперимента.


Рисунок 3.3 – Огибающая отраженного сигнала на промежуточной частоте после цифровой фильтрации поданным второй РЛС
Одним из этапов извлечения полезной информации из принятых сигналов было получение отражательных характеристик (ОХ) ВО. Для формирования ОХ в каждом периоде следования ЗС после процедуры сжатия цифровым фильтром определялось положение максимума отклика фильтра на отраженный от ВО сигнал. В этой точке определялись значения амплитуды и фазы сжатого сигнала, которые записывались в массив. Сформированный таким образом из последовательности отраженных сигналов массив представлял собой комплексную ОХ ВО. Для графического представления ОХ использовались модульные значения комплексных отсчетов массива отраженных сигналов. На рисунках 3.4 и 3.5 на временном интервале от 6,85 до 7,25 с приведены ОХ самолета Airbus А321, сформированные по сигналам, принятым от первой и второй РЛС соответственно.

Низкочастотные флюктуации амплитуды отраженного сигнала в ОХ объясняются изменением углового положения планера ВО относительно РЛС в течение интервала сопровождения. Высокочастотная модуляция в виде всплесков и провалов вызвана проявлением турбовинтового эффекта (ТВЭ). Сравнение между собой участков ОХ ВО позволило выявить закономерное соответствие между степенью изрезанности низкочастотной огибающей ОХ и поперечных размеров ВО.



U(t)

у.е.





t, мс

Рисунок 3.4 – ОХ самолета Airbus А321 по данным от первой РЛС




U(t)

у.е.





t, мс

Рисунок 3.5 – ОХ самолета Airbus А321 по данным от второй РЛС

Для построения ДпП, использовались амплитуды и фазы откликов оптимального фильтра одиночного отраженного сигнала, временное запаздывание которых относительно излученного импульса соответствует дальности до ВО. Формирование ДпП из сигналов осуществлялось с помощью прямого быстрого преобразования Фурье. Для разрешения вторичных доплеровских составляющих использовалась пачка отраженных сигналов, накопленных в течение  0,5 с. Это обеспечивало разрешающую способность по частоте до 2 Гц. Построение ДпП осуществлялось по той же выборке последовательности отраженных сигналов, по которой формировалась ОХ.

При построении ДпП важно учесть влияние радиальной скорости и ускорения движущегося ВО, проявляющееся в изменении фазового сдвига между излученными и отраженными сигналами. При формировании спектра пачки импульсов это приводит к смещению планерной составляющей по оси частот на значение частоты . Помимо радиальной скорости ВО на фазовую структуру отраженных сигналов существенное влияние оказывает радиальное ускорение. Оно приводит к нелинейному изменению фазы последовательности отраженных сигналов. В результате с течением времени происходит смещение планерной ВО по оси частот. Кроме того, нелинейный набег фаз при наличии ускорения ВО является причиной существенных искажений, проявляющихся в виде расширения планерной составляющей спектра и появления ложных частотных составляющих в ДпП. Пример влияния радиальной скорости и ускорения на структуру ДпП приведен на рисунке 3.6.

Проявление фазовых сдвигов в последовательности отраженных сигналов за счет радиального перемещения ВО за время формирования пачки отраженных сигналов привело к тому, что гармонические составляющие спектра размазаны по частотной оси, и с течением времени (формирование спектров осуществлялось с интервалом в 1 с) происходит их смещение по оси частот. Для нейтрализации этого негативного явления, в последовательностях отраженных сигналов необходимо устранять фазовые сдвиги, обусловленные радиальным перемещением ВОА. Тогда ДпП будет всегда находиться в центре окна просмотра по частоте, и его форма не будет искажена.

R(f)

у.е.
c:\documents and settings\alexey\local settings\temporary internet files\content.word\новый рисунок.png




R(f)

у.е.
c:\documents and settings\alexey\local settings\temporary internet files\content.word\новый рисунок (4).png




R(f)

у.е.
c:\documents and settings\alexey\local settings\temporary internet files\content.word\новый рисунок (5).png

Рисунок 3.6 – Спектр последовательности сигналов, отраженных

от самолета Airbus А321 без компенсации влияния радиального движения

по данным от первой РЛС

Для комплексного устранения влияния радиального ускорения и радиальной скорости в последовательности из К отраженных сигналов предлагается производить коррекцию их фазовой структуры. Величина компенсируемой фазы для каждого k-го импульса принятой одночастотной последовательности отраженных сигналов рассчитывается в соответствии с выражением


(3.2)

где k=1…K – порядковый номер отраженного от ВО сигнала в обрабатываемой выборке;

 – длинна волны;

– время прихода k-го отраженного от ВО зондирующего сигнала.

Пример ДпП при формировании которого устранены влияния радиальной скорости и ускорения приведен на рисунке 3.6.

Однако помимо влияния радиальной скорости и ускорения одним из существенных факторов также является проявление турбовинтового эффекта (ТВЭ), вызванного отражением зондирующих сигналов от вращающихся лопаток компрессора. На рисунке 3.6 не смотря на устранение влияния радиальной скорости и ускорения приведен ДпП на структуру которого влияет ТВЭ .

Для устранения данного эффекта необходимо случайным образом перестраивать частоты повторения импульсов. Данные действия приведут к разрушению мнимых и размытию высших действительных гармоник ТВЭ.

Еще одним немало важным дестабилизирующим фактором являются траекторные нестабильности, вызванные движением ВО в турбулентной атмосфере при продолжительном времени синтезирования отраженных от него радиолокационных сигналов.

Этот фактор искажает структуру ДпП. На рисунке 3.7 показан ДпП самолета Airbus А321. Для формирования этого портрета использовались значения амплитуды и фазы отраженного сигнала, накопленного на интервале времени 0,26 с.

На рисунке в спектре отраженного сигнала наблюдается разделение откликов от различных рассеивающих центров на планере ВО. Кроме того, так как рассматриваемый ВО сопровождался при ракурсе наблюдения 85-90º, то полученный ДпП отражает его поперечный размер.


R(f)

у.е.

Рисунок 3.6 – Спектр последовательности сигналов, отраженных

от самолета Airbus А321 с компенсацией влияния радиального движения

по данным от первой РЛС


R(f)

у.е.




Рисунок 3.7 – Спектр сигнала, отраженного от самолета Airbus А321,

при времени накопления 0,26 с
На рисунке 3.8 приведен ДпП этого же ВО, но на меньшем временном интервале равном 0,13 с. В данном случае происходит уменьшение разрешающей способности РЦ в формируемом спектре.

R(f)

у.е.

Рисунок 3.8 – Спектр сигнала, отраженного от самолета Airbus А321,

при накоплении в течение 0,13 с


Сравнивая между собой ДпП полученные при накоплении 0,13 и 0,26 с можно отметить, что ширина РЛИ по уровню 0,2 остается приблизительно той же. Однако, при уменьшении разрешающей способности РЦ по частоте количество откликов от них на портретах уменьшилось.

Таким образом, для того чтобы ширина спектра наблюдаемого объекта наиболее адекватно отражала его поперечные размеры, при выборе участка для построения ДпП необходимо применять специальные алгоритмы. Одним из таких алгоритмов является корреляционный. В нем с помощью корреляционной обработки последовательности отраженных от ВО сигналов определяются временные интервалы, в которых, с точки зрения синтезирования ДпП, будет выполняться равновесие между разрешающей способностью (информативностью) и качеством структуры ДпП.

В результате проведенной компенсации были получены ДпП, динамика изменения которых приведена на рисунке 3.9.
c:\documents and settings\alexey\local settings\temporary internet files\content.word\новый рисунок (2).bmp

Рисунок 3.9 – ДпП самолета Airbus А321

(а – по данным от первой РЛС, б – от второй РЛС)
На данном рисунке наблюдается схожесть в динамике изменения структуры ДпП, а также в разносе частот между спектральными откликами. Расстояние между частотами спектральных откликов составляет, порядка 10 Гц (для случая с двумя откликами). Однако временные интервалы изменения ДпП неодинаковы. Это обусловлено применением РЛС с различными несущими частотами зондирующих сигналов, а также тем, что на протяжении записи (регистрации) отраженных от ВО сигналов, менялся ракурс ее наблюдения.

4 Научная новизна

Научная новизна обуславливаются разработанными программными продуктами, реализующими обработку информации, полученной из отраженных сигналов и представление ее в удобном для восприятия и анализа виде.



5 Патентно-лицензионная ценность научной работы

Патентно-лицензионная ценность научной работы заключается в том, что разработаны программные продукты, которые позволяют:

осуществлять поиск зондирующих сигналов в последовательности оцифрованных АЦП комплексных отсчетов;

осуществлять сжатие этих сигналов внутри каждого периода следования;

определять положения откликов от сопровождаемого ЛА;

осуществлять запись в выходной файл комплексных отсчетов, соответствующих сжатым отраженным сигналам;

сохранять данные о реальном периоде следования сигналов, об отношении сигнал/шум до и после сжатия, о дальности до ВО в каждом периоде;

осуществлять формирование спектров сформированных последовательностей отраженных сигналов;

компенсировать негативное влияние радиальной скорости и ускорения ВО.

6 Материалы и методы исследования

Для обработки данных натурного эксперимента по записи отраженных радиолокационных сигналов используется две программы:

1. Конвертер.ехе – для обработки исходных данных эксперимента.

2. Обработка.ехе – для обработки последовательности отраженных сигналов, сформированных с помощью программы Конвертер.ехе.

Программа «Конвертер» предназначена для цифрового сжатия исходных данных, полученных при проведении экспериментов по записи отраженных сигналов, определения положения отраженного сигнала и сохранения комплексных отсчетов отраженного от ВО сжатого сигнала в отдельный файл для последующей обработки.

Интерфейс программы «Конвертер», появляющийся при запуске исполняемого файла конвертер.exe представлен на рисунке 5.1.

Программа «Обработка» предназначена для просмотра результатов обработки данных программой «Конвертер» и построения спектров последовательности отраженных сигналов.

Интерфейс программы «Обработка», показываемый при запуске исполняемого файла обработка.exe, представлен на рисунке 5.2.


clip

Рисунок 5.1 – Интерфейс программы Конвертер.ехе,

появляющийся при ее загрузке

клип_2

Рисунок 5.2 – Интерфейс программы Обработка.ехе,

показываемый при ее загрузке
7 Результаты, теоретическая и (или) практическая ценность научной работы

В ходе научной работы были достигнуты следующие результаты:

разработан способ извлечения полезной информации из отраженных сигналов по данным от двух РЛС, сопровождающих один и тот же ВО;

проведен анализ временных и частотных характеристик сигналов, отраженных ВО;

выявлено, что изменение несущей частоты зондирующих сигналов не влияет на структуру ДпП ВО.

Практическая ценность научной работы заключается в извлечении информации из сигналов, отраженных от объектов, использование которой позволяет измерять дальность до ВО, отношение сигнал/шум, а также получать ОХ и ДпП реальных ВО.



8 Список публикаций по теме научной работы

  1. Мурашкин А.В., Романенко А.В. Анализ временных и частотных характеристик отраженных сигналов и разработка способа извлечения полезной информации в интересах повышения качества классификации целей, Конкурс молодых ученых: Сборник материалов. Смоленск: «Смоленская городская типография», 2013. – с. 232-239.

  2. Романенко А.В.Анализ информативности признаков, извлекаемых из доплеровских портретов, полученных на основе отраженных от воздушного объекта сигналов, статья, Научные труды ВА, выпуск № 30,ВА ВПВО ВС РФ, 2014.

  3. Романенко А.В. Проверка стабильности доплеровского портрета воздушного объекта при изменении частоты зондирующих сигналов РЛС, статья, 22 военно-научная конференция, ВА ВПВО ВС РФ, 2014г.

Каталог: user -> sgma -> MMORPH -> N-44-html -> konkurs-2014
user -> Общий вид передвижного выставочно-лекционного комплекса ОАО «ржд» Бригада, обслуживающая пвлк интерьеры передвижного выставочно-лекционного комплекса ОАО «ржд» Вагон «Инновационное развитие ОАО "ржд"»
MMORPH -> Гомоморфно-корреляционная обработка кодовой последовательности сверхширокополосных импульсов при позиционном кодировании
MMORPH -> Уточнение комплексной огибающей дискретного спектра в части частотного диапазона
MMORPH -> Филиал федерального государственного бюджетного
konkurs-2014 -> Филиал федерального бюджетного
konkurs-2014 -> Филиал федерального государственного
MMORPH -> Оптимизированное преобразование хафа для обработки показаний дальномеров


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал