Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Быстров Александр Николаевич
КВАЗИОПТИМАЛЬНЫЕ АЛГОРИТМЫ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В РАДИОЛОКАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВАХ ОБНАРУЖЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ОБЪЕКТОВ
Специальность 05.12.14 - Радиолокация и радионавигация
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2012
Работа выполнена на кафедре Микроэлектронные радиотехнические устройства и системы Национального исследовательского университета МИЭТ.
Научный консультант: доктор технических наук Джиган Виктор Иванович
Официальные оппоненты: Бабокин Михаил Иванович, доктор технических наук, ГУП НП - СПУРТ, старший научный сотрудник Уханов Евгений Валентинович, кандидат технических наук, ОАО Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца, заместитель начальника отдела
Ведущая организация: Научно-исследовательский институт радиоэлектронной техники МГТУ имени Н.Э. Баумана, г. Москва
Защита состоится л____ ______________ 2012 г. в ___ часов ___ минут на заседании диссертационного совета Д 850.012.01 при Государственном унитарном предприятии города Москвы Научно-производственный центр СПУРТ по адресу: 124460, г. Москва, Зеленоград, 1-й Западный проезд, 4, ГУП НП - СПУРТ
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП НП - СПУРТ.
Автореферат разослан л____ ______________ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Петров В. Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
В диссертации рассматриваются алгоритмы цифровой обработки сигналов (ЦОС) в радиолокационных устройствах, решающих задачи обнаружения и измерения дальности до объектов. Для реализации высокой разрешающей способности по дальности и точности ее измерения в современных радиолокационных станциях (РЛС) необходимо использовать сигналы с широкими спектрами, то есть с короткими пиками автокорреляционных функций (АКФ).
Длительность основного пика АКФ используемых в радиолокации сигналов обычно составляет от десятков наносекунд до единиц микросекунд. Реализация оптимальных алгоритмов обработки коротких сигналов предоставляет определенные трудности, связанные с ограниченным быстродействием существующих устройств ЦОС. В связи с чем в диссертации разрабатываются квазиоптимальные алгоритмы обнаружения и измерения дальности до объектов, позволяющие получать близкие к оптимальным решения при использовании элементной базы с ограниченным быстродействием. Исследуется эффективность рассматриваемых алгоритмов в терминах отношения сигнал-шум (ОСШ) и точности измерения дальности с учетом эффектов временной дискретизации и амплитудного квантования обрабатываемых сигналов. Рассматриваются также вопросы программно-аппаратной реализации разработанных алгоритмов на основе серийно выпускаемых цифровых сигнальных процессоров (ЦСП).
Актуальность работы. Сегодня успехи в области обработки радиолокационной информации во многом связаны с цифровыми технологиями. Использование этих технологий позволяет применять сложные и эффективные алгоритмы ЦОС, обеспечивает стабильные характеристики и простоту настройки цифровых устройств, что, в конечном итоге, гарантирует долговременные высокие точностные и эксплуатационные характеристики РЛС.
За последние годы были достаточно широко исследованы алгоритмы работы цифровых обнаружителей сигналов и следящих измерителей дальности до объектов. В то же время вопросы программно-аппаратной реализации устройств обнаружения на базе ЦСП, а также влияния периода дискретизации и эффектов квантования обрабатываемых сигналов на характеристики обнаружения согласно публикациям в научно-технической литературе исследованы недостаточно. Решение указанных задач позволяет определять оптимальное соотношение между требуемыми характеристиками обнаружения и аппаратными затратами при построении радиолокационных обнаружителей.
После обнаружения объектов в РЛС обычно решаются задачи определения местоположения этих объектов. В частности, измеряется расстояние от РЛС до обнаруженных объектов. Цифровой следящий измеритель дальности представляет собой нелинейную дискретную автоматическую следящую систему, поведение которой зависит от параметров преобразования обрабатываемых сигналов в цифровую форму. Детального исследования такой зависимости в известной литературе не было найдено. Анализ влияния периода дискретизации, эффектов амплитудного квантования обрабатываемых сигналов, а также конечной разрядности вычислений в следящих системах на характеристики цифровых радиодальномеров позволяет определять параметры, обеспечивающие требуемую точность измерения дальности при ограниченных аппаратных затратах.
Решению перечисленных выше научных и технических задач, возникающих при разработке и исследовании цифровых устройств обнаружения и следящего измерения дальности до радиолокационных объектов, посвящена настоящая диссертационная работа.
Объектом исследования в диссертации являются цифровые устройства обнаружения и измерения дальности до радиолокационных объектов.
Предметом исследования являются квазиоптимальные алгоритмы обнаружения и измерения дальности до объектов, эффективные с точки зрения требований, предъявляемых к быстродействию элементной базы, на которой реализуются эти алгоритмы.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационного исследования является разработка и исследование квазиоптимальных алгоритмов обнаружения и измерения дальности до объектов, обеспечивающих улучшение характеристик обнаружения сигналов и повышение точности измерения дальности без увеличения требований к быстродействию используемой элементной базы и к аппаратным затратам, а также анализ сложности программноаппаратной реализации этих алгоритмов на современной цифровой элементной базе.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие научные задачи:
Х исследовать влияние временной дискретизации и амплитудного квантования на характеристики обнаружения сигналов;
Х разработать вычислительные процедуры и исследовать эффективность следующих алгоритмов работы цифровых обнаружителей сигналов:
- с равновесным суммированием;
- со стробоскопической дискретизацией сигналов;
Х исследовать влияние временной дискретизации и амплитудного квантования сигналов на дискриминационные и флуктуационные характеристики временных дискриминаторов;
Х разработать вычислительные процедуры и исследовать эффективность следующих алгоритмов работы цифровых следящих радиодальномеров:
- с усреднением рассогласования;
- со стробоскопической дискретизацией сигналов;
Х исследовать влияние стробоскопической дискретизации на эффективность селекции движущихся целей (СДЦ);
Х исследовать возможности программной реализации предложенных алгоритмов обнаружения и измерения дальности до объектов на базе учебной установки, разработанной в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном исследовательском университете МИЭТ (МИЭТ), а также на базе цифровых сигнальных контроллеров серии Мультикор.
Методы исследования. При проведении работы использованы методы теории ЦОС, радиоавтоматики, статистической радиотехники, моделирования и программирования ЦСП. При моделировании и разработке программ использовались языки программирования Fortran и MATLAB.
Научная новизна диссертации. В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты.
1. Разработаны алгоритмы работы цифровых устройств обнаружения сигналов, позволяющие снизить требования к быстродействию элементной базы этих устройств. Рассчитаны характеристики обнаружения сигналов с учетом их временной дискретизации. Впервые предложено и исследовано использование в задачах обнаружения стробоскопической дискретизации сигналов, при которой обеспечивается энергетический выигрыш по сравнению с традиционной дискретизацией в случае малого числа выборок на длительности сигнала.
2. На основе исследования дискриминационных и флуктуационных характеристик цифровых временных дискриминаторов разработаны методики по выбору частоты дискретизации и числа уровней амплитудного квантования сигналов в следящем радиодальномере.
3. Исследованы области устойчивости и характер переходных процессов в цифровых следящих радиодальномерах с учетом квантования напряжения рассогласования и дискретности измерения дальности. На основании использования статистической линеаризации получены математические соотношения, позволяющие рассчитать ошибку слежения с учетом эффектов квантования.
4. Исследовано применение усреднения рассогласования в следящем дальномере, позволяющее преодолеть противоречие между требованием обеспечить узкую полосу пропускания цифрового следящего измерителя дальности (малое значение коэффициента передачи разомкнутой петли) и ограниченной разрядностью чисел, представляющих дальность. Проанализированы вопросы практической реализации усреднения рассогласования в радиодальномерах.
5. Исследовано применение стробоскопической дискретизации сигналов с целью уменьшения инструментальной ошибки радиодальномеров без увеличения требований к быстродействию используемой элементной базы. Получены выражения для точности измерения дальности в дальномерах, использующих стробоскопическую дискретизацию сигналов, а также разработаны алгоритмы их программной реализации. Выработаны рекомендации по улучшению качества СД - в случае применения стробоскопической дискретизации.
Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в том, что использование разработанных алгоритмов позволяет проектировать цифровые устройства обнаружения и измерения дальности до радиолокационных объектов, обеспечивающие улучшение характеристик обнаружения сигналов, а также повышение точности измерения дальности при умеренных требованиях к быстродействию устройств обработки сигналов и аппаратным затратам:
1. Использование разработанных рекомендаций позволяет при заданных параметрах обнаружения до четырех раз повысить производительность проектируемых цифровых обнаружителей за счет рациональной организации обработки сигналов. Разработанные алгоритмы и программы устройств обнаружения сигналов при реализации на современной элементной базе обеспечивают обработку входной информации в реальном масштабе времени.
2. Разработанные рекомендации по выбору частоты дискретизации и числа уровней амплитудного квантования сигналов позволяют проектировать следящие радиодальномеры с оптимальным соотношением между точностью измерения дальности и аппаратными затратами при построении этих устройств.
Показано, что при наличии шести и более выборок на длительности сигнала энергетические потери из-за дискретизации можно не учитывать, а при малых ОСШ возможно применять упрощенное бинарное квантование сигнала.
3. Результаты исследования особенностей поведения цифровых следящих дальномеров, связанных с дискретностью измерения дальности и рассогласования между фактическим и измеренным расстоянием до объекта, позволяют определить параметры, минимизирующие влияние нелинейности дискриминационной характеристики временного дискриминатора на точность измерения дальности в установившемся режиме радиодальномера.
4. Применение предложенного усреднения рассогласования в следящем дальномере позволяет обеспечить узкую полосу пропускания следящей системы радиодальномера при ограниченной разрядности чисел, представляющих дальность в устройстве, на базе которого реализуется такой дальномер, и тем самым уменьшить требования к разрядности используемой элементной базы в 1.5 - 2 раза.
5. Применение стробоскопической дискретизации радиолокационных сигналов позволяет более чем в два раза уменьшить инструментальную ошибку измерения дальности по сравнению с традиционной дискретизацией. Рекомендации по выбору параметров радиодальномеров со стробоскопической дискретизацией сигналов, в том числе по улучшению качества СДЦ, а также разработанные структуры, алгоритмы и программы позволяют осуществлять эффективную реализацию радиодальномеров на современной элементной базе.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждена результатами компьютерного моделирования устройств, а также практической реализацией разработанных алгоритмов обнаружения и измерения дальности.
ичный вклад автора. Все основные результаты диссертационной работы, включая положения, выносимые на защиту, получены автором диссертации лично. Результаты реализации устройств обнаружения и измерения дальности, представленные в диссертации, также получены автором лично или при его непосредственном участии.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в виде:
- алгоритмов обнаружения радиолокационного сигнала и алгоритмов радиолокационного измерения дальности до объекта, реализованных в сверхширокополосном импульсном радиолокаторе, разрабатываемом ЗАО Геозондас (г. Вильнюс, Литовская Республика) по проекту IN-SIGHT;
- лабораторных работ по курсу Радиотехнические системы на кафедре Микроэлектронные радиотехнические устройства и системы МИЭТ, что подтверждено соответствующими актами.
На защиту выносятся 1. Алгоритмы обнаружения объектов, позволяющие улучшить характеристики обнаружения сигналов без увеличения требований к производительности используемой элементной базы, в том числе со стробоскопической дискретизацией сигналов, которая обеспечивает энергетический выигрыш свыше 3.5 дБ по сравнению с обычным способом дискретизации при малом числе выборок на длительности импульса.
2. Методика учета влияния параметров временной дискретизации и амплитудного квантования входных сигналов и весовых коэффициентов цифровых временных дискриминаторов на их дискриминационные и флуктуационные характеристики.
3. Способ расчета эквивалентной полосы пропускания, области устойчивости цифровых следящих радиодальномеров, а также характеристик переходных процессов с учетом временной дискретизации обрабатываемых сигналов;
способ расчета точности измерения дальности цифровыми следящими радиодальномерами в установившемся режиме с учетом нелинейности дискриминационной характеристики временных дискриминаторов.
4. Способ усреднения рассогласования в цифровых следящих измерителях дальности, позволяющий преодолеть противоречие между требованием обеспечения узкой эквивалентной полосы пропускания системы и ограниченной разрядностью, с которой в измерителе дальности представляются данные, и обеспечивающий тем самым снижение ошибки измерения дальности, в зависимости от порядка астатизма системы, в 2.5- 8 раз; методика расчета детерминированной и случайной составляющих ошибки измерения дальности в радиодальномерах с усреднением, способы повышения точности измерения дальности путем уменьшения влияния смещения объекта за время усреднения.
5. Алгоритмы работы цифровых следящих измерителей дальности со стробоскопической дискретизацией сигналов, позволяющие уменьшить инструментальную ошибку измерения дальности и за счет этого более чем в два раза уменьшить случайную составляющую ошибки слежения; методика расчета детерминированной и случайной составляющих ошибки измерения дальности с учетом временной дискретизации сигналов и квантования весовых коэффициентов; способы улучшения качества СД - в радиодальномерах со стробоскопической дискретизацией сигналов.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены и обсуждены на 13 научно-технических конференциях: Всесоюзной конференции Методы и микроэлектронные устройства цифрового преобразования и обработки информации (Москва, 1985); Всесоюзной научно-технической конференции Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов (Рига, Латвия, 1986); 12-й Международной конференции Цифровая обработка сигналов и ее применения (DSPA-2010) (Москва, 2010); Международной научно-практической конференции Информационные технологии, электронные приборы и системы (ITEDS-2010) (Минск, Беларусь, 2010); Всероссийской научно-технической конференции Общество, наука, инновации (Киров, 2010); 16-й Международной конференции Радиолокация, навигация, связь (RLNC-2010) (Воронеж, 2010); LXV научной сессии, посвященной Дню Радио (Москва, 2010); Второй Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 35-летию отдела новых разработок Муромского завода радиоизмерительных приборов (Муром, 2010); IX Международной научнотехнической конференции Физика и технические приложения волновых процессов (Челябинск, 2010); 16-й международной научно-технической конференции Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций (Рязань, 2010); 18-й Международной научно-технической конференции Информационные средства и технологии (Москва, 2010); 13-й Международной конференции Цифровая обработка сигналов и ее применения (DSPA-2011) (Москва, 2011); Всероссийской научно-технической конференции Общество, наука, инновации (Киров, 2011).
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 22 работах. Из них 6 статей в журналах из перечня ВАК: Радиотехника, Вопросы радиоэлектроники, Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета, Нелинейный мир; 2 статьи в журналах, не входящих в перечень ВАК: Электронная техника серия 10: Микроэлектронные устройства, Архитектура, схемотехника и математическое обеспечение микропроцессорных систем управления (Межвузовский сборник, изд. МИЭТ); 14 статей в трудах перечисленных выше российских и международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения. Она содержит 206 страниц текста, включая 90 рисунков, 4 таблицы, 12 страниц списка используемой литературы из 119 наименований, 5 приложений, включая 2 акта о внедрении ее результатов.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении приведены данные об актуальности работы, определены цели и задачи диссертационной работы, показана научная новизна и практическое значение полученных результатов, а также приведена общая характеристика диссертационной работы.
В главе 1 (ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА ОБНАРУЖЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ) приводится аналитический обзор литературы, посвященной рассматриваемым в настоящей диссертации вопросам.
Из представленного обзора следует, что успехи в области современной обработки радиолокационной информации во многом связаны с цифровыми технологиями. Использование этих технологий позволяет применять сложные и эффективные алгоритмы ЦОС, обеспечивает стабильные характеристики и простоту настройки цифровых устройств, что, в конечном итоге, гарантирует долговременные высокие точностные и эксплуатационные характеристики РЛС.
Недостаточно высокое быстродействие ЦСП долгие годы служило ограничением на применение ЦОС в радиолокации. Однако сегодня уже существует огромный рынок ЦСП различного быстродействия, что способствует широкому использованию ЦОС в радиолокационных устройствах и системах. Поэтому разработка и исследование алгоритмов ЦОС для радиолокации, ориентированных на программную реализацию в ЦСП, является актуальной задачей.
Вопросам построения РЛС с цифровыми устройствами обнаружения и измерения дальности объектов в литературе уделяется постоянное внимание. В то же время ряд важных с практической точки зрения задач не нашел достаточного освещения, в том числе:
- влияние временной дискретизации обрабатываемых сигналов на характеристики обнаружения, способы обработки сигналов и пути построения устройств обнаружения, обеспечивающих улучшение характеристик обнаружения сигналов без повышения требований к быстродействию устройств;
- зависимость свойств цифровых временных дискриминаторов в переходном и установившемся режимах от параметров амплитудного квантования и временной дискретизации сигналов;
- влияние нелинейности дискриминационной характеристики цифрового временного дискриминатора на точность измерения дальности в цифровых следящих радиодальномерах;
- применение усреднения рассогласования для повышения точности измерения дальности в цифровых следящих радиодальномерах;
- применение стробоскопической дискретизации сигналов для повышения точности измерения дальности в цифровых следящих радиодальномерах, влияние стробоскопической дискретизации на эффективность СДЦ.
Эти вопросы исследуются в настоящей диссертационной работе.
В главе 2 (ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА ОБНАРУЖЕНИЯ) с целью повышения эффективности программируемых цифровых обнаружителей сигналов рассматриваются вопросы их построения, а также влияние временной дискретизации сигналов на характеристики обнаружения.
Известный оптимальный алгоритм обнаружения пачки из N импульсов, следующих с периодом Tr, с неизвестным временем задержки отраженных сигналов и неизвестным азимутальным положением объекта сводится к сравнению с порогом корреляционного интеграла принятой на интервале наблюдения смеси u(t) полезного сигнала и помехи. Реализация оптимального алгоритма обнаружения требует выполнения N операций умножения, N 1 операцию суммирования и одно сравнение с порогом.
Требования к быстродействию ЦСП, реализующего оптимальный алгоритм обнаружения сигналов, определяются следующим образом. Если диапазон, в котором производится обнаружение, ограничен расстояниями Rmin и Rmax, то число каналов дальности определяется как m 2Rmax Rmin c , где c - скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве, o - временной диапазон задержки отраженного сигнала, соответствующий одному каналу дальности. Число азимутальных каналов определяется как a na / a, где - сектор обзора, а - ширина луча антенны по уровню минус 3дБ. За время одного оборота антенны РЛС обнаружитель должен успеть обработать nam ячеек, в которых производится обнаружение.
В диссертации предложены и проанализированы три алгоритма работы обнаружителя, различающиеся по способу обработки входных сигналов. Особенностью первого алгоритма является то, что последовательно для каждого канала дальности вычисляется величина корреляционного интеграла и сравнивается с порогом, при этом отсчеты сигнала поступают из аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Во втором алгоритме отсчеты сигнала, поступающие из АЦП, вначале записываются в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), а вычисление корреляционного интеграла и сравнение его с порогом производится по окончании временного диапазона, в котором происходит измерение дальности. Третий алгоритм является комбинацией первых двух. Если время необходимых вычислений в одном канале дальности составляет Tk, то из приведенного в диссертации анализа следует, что при Tk целесообразно o применять первый алгоритм как наиболее простой и требующий меньших аппаратных затрат. С уменьшением o предпочтительным становится третий алгоритм. При этом число каналов дальности, которое ЦСП способен обработать, составит Tr /Tk, где Tr - период следования зондирующих импульсов РЛС. Рациональный выбор алгоритма позволяет достичь максимальной производительности ЦСП при заданном его быстродействии и параметрах сигнала.
На основании предложенных алгоритмов работы рассмотрены возможности реализации обнаружителя в составе аппаратно-программного комплекса на базе сигнального контроллера 1892ВМ3Т, младшего представителя линейки сигнальных контроллеров серии Мультикор. Максимально возможное число пространственно-временных ячеек обнаружения, которое способен обработать рассматриваемый сигнальный контроллер, составляет 240/(2 N ) млн. в секунду при реализации оптимального алгоритма.
Из рассмотренных в главе примеров следует, что во многих практических случаях такая производительность является достаточной для решения задач обнаружения. Например, при 0.1 мкс, Rmax Rmin 150 км, 3600, a o и времени оборота антенны 3 с, устройство на базе рассматриваемого сигнального контроллера позволяет обрабатывать пачки импульсов с N 100. В случае большого числа импульсов в пачке или большого числа ячеек обнаружения при построении обнаружителя могут потребоваться более значительные вычислительные ресурсы. В таких случаях задача обнаружения может быть реализована с помощью других, обладающих большей вычислительной производительностью, СБИС ЦСП Мультикор или многопроцессорных вычислительных систем, построенных на базе этих СБИС.
При построении цифровых обнаружителей из-за неопределенности взаимного положения принимаемых сигналов и импульсов дискретизации момент взятия выборки корреляционного интеграла может не совпадать с его максимумом. Поэтому возникает необходимость учета энергетических потерь вследствие временной дискретизации.
В широко распространенном случае, когда радиоимпульс с прямоугольной огибающей длительностью i подвергается согласованной фильтрации в тракте, предшествующем обнаружителю, сигнал на входе обнаружителя имеет треугольную форму длительностью Ti 2i.
Число выборок на его длительности при этом составляет n Ti TД, где TД 1 FД - период дискретизации сигнала, F - частота дискретиД зации. В этом случае средняя величина потерь в ОСШ вследствие временной дискретизации определяется как п 1 TД (4 ). Отсюда следуi ет, что при наличии уже 5 выборок на длительности импульса энергетические потери не превышают 1 дБ, что во многих случаях является приемлемым значением. Однако обеспечение малого периода или высокой частоты дискретизации не всегда возможно из-за ограниченного быстродействия АЦП и ЦСП.
Для преодоления указанного ограничения было предложено применять в обнаружителях стробоскопическую дискретизацию сигналов. В основе стробоскопической дискретизации (рис. 1) лежит увеличение числа отсчетов на длительности импульса путем их небольшого смещения на некоторую величину t TД L в каждом периоде следования зондирующих импульсов. При этом время, за которое осуществляется временная дискретизация сигнала, также возрастает. Из рис.1 видно, что применение Рис. 1. Стробоскопическая стробоскопической дискретизации эквивалентдискретизация сигнала но дискретизации сигнала с частотой t TД. Для реализации стробоскопической дискретизации необходимо лишь обеспечить последовательность импульсов дискретизации на заданной частоте, что не приводит к сколько-нибудь существенным дополнительным аппаратным или программным затратам.
Проведенный в диссертации анализ показал, что применение стробоскопической дискретизации может быть энергетически выгодно при малом количестве (две и менее) выборок на сигнал. Это проиллюстрировано представленными на рис. 2 характеристиками обнаружения сигнала в смеси с шумом, распределенным по нормальному закону. Результаты расчета вероятности правильного обнаружения D приведены при фиксированных значениях вероятностей ложных тревог F (указываются на графиках) в случае традиционного способа дискретизации (штриховые линии), а также в случае стробоскопической дискретизации (сплошные линии). Значения ОСШ q даны в разах. Для сравнения на этом рисунке показаны кривые обнаружения для случая точного совпадения момента взятия выборки с серединой импульса (точечные линии).
Из рис. 2 видно, что, например, при D 0.8 и F 102 применение стробоскопической дискретизации дает примерно 1.5-кратный выигрыш в ОСШ по сравнению с традиционной дискретизацией сигналов. С ростом q Рис. 2. Характеристики обнаружения при TД Ti преимущество стробоскопической дискретизации перед традиционной дискретизацией сигналов возрастает, что особенно проявляется в случае больших допустимых вероятностей ложных тревог.
Расчеты показали, что при стробоскопической дискретизации средняя величина потерь п 1 TД (3i ) превышает аналогичное значение при обычном способе дискретизации. Так, например, при одной выборке на сигнал это превышение составляет около 1.5 - 2 дБ. Поэтому применение стробоскопической дискретизации целесообразно лишь тогда, когда не удается обеспечить требуемую частоту дискретизации сигнала.
Таким образом, путем выбора алгоритма работы и параметров обнаружителя можно достичь максимальной производительности устройства при заданных параметрах обнаружения. В связи с тем, что временная дискретизация сигналов приводит к энергетическим потерям, растущим с увеличением шага дискретизации, при соблюдении указанных в главе 2 условий становится выгодным применение стробоскопической дискретизации сигналов.
В главе 3 (ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВЫХ СЛЕДЯЩИХ ДАЛЬНОМЕРОВ) исследуются свойства цифровых временных дискриминаторов и следящих радиодальномеров с астатизмом первого и второго порядков с учетом временной дискретизации и амплитудного квантования сигналов, а также с учетом влияния нелинейности дискриминационной характеристики временного дискриминатора, вызванной амплитудным квантованием сигналов.
Обобщенная схема радиодальномера включает в себя временной дискриминатор (ВД), преобразующий временную задержку между входным и опорным сигналами в соответствующее ей число, цифровой фильтр нижних частот (ЦФНЧ) и преобразователь код-время (ПКВ), вырабатывающий опорный сигнал для временного дискриминатора с задержкой, пропорциональной числу с выхода ЦФНЧ. В диссертации рассматривается временной дискриминатор, являющийся цифровым аналогом схемы дискриминатора с расщепленным стробом, в 3.котором для слежения за объектом применяются два селекторных импульса (по2.лустроба).
2 Так как временная дискретизация сигналов приво1.дит к увеличению дисперсии выходного шума цифрового дискриминатора по сравне0.нию с аналоговым дискриминатором, то анализ дис0 2 4 6 8 10 12 14 n персии случайной составляющей напряжения Рис. 3. Энергетические потери цифрового на выходе цифрового дисдискриминатора по сравнению с аналоговым криминатора в зависимости дискриминатором от числа выборок на длительности обрабатываемого сигнала является актуальным.
Для выходной дисперсии шума временного дискриминатора в диссерта2 ции было получено выражение: 0.5 kд 2Ti2(n,r), где - дисперсия швых ш ш воздействующего на приемное устройство шума, kд n/Ti - коэффициент передачи дискриминатора, функция (n,r) характеризует зависимость выходного шума от числа выборок на длительности импульса и от нормированной автокорреляционной функции входного шума r(x), определяемой амплитудночастотной характеристикой приемного тракта, предшествующего дискриминатору. Величина (n,r) играет здесь ту же роль, что в аналоговом дискримина2 торе произведение (1 rs ), где - лежащий в диапазоне от 0 до 1 коэффициент усреднения импульсного случайного напряжения в интеграторе аналогового дискриминатора, rs - коэффициент корреляции напряжений в по, дБ лустробах. На рис. 3 приведен график зависимости (n,r) (1 rs ) в случае, когда эквивалентная полоса пропускания приемного устройства f 2/Ti. Из графика видно, что временная дискретизация приводит к увеличению шума на выходе дискриминатора. Однако при n 8 потери по сравнению с аналоговым устройством не превышают 0.5 дБ. При этом дискриминационную характеристику можно считать сглаженной, что позволяет не учитывать влияние дискретизации сигналов.
Исследовано влияние временной дискретизации обрабатываемых сигналов на эквивалентную полосу пропускания, область устойчивости и характер переходных процессов в цифровых следящих радиодальномерах с астатизмом второго порядка, структурная схема сглаживающей цепи которых соответствует фильтру Винера, обеспечивающему минимум среднеквадратичной ошибки слежения в установившемся режиме. Показано, что область устойчивости рассматриваемого радиодальномера определяется выражениями K 0, M 0, K1 2M 4, где K - коэффициент усиления разомкнутой петли цифровой следящей системы, M - коэффициент передачи сглаживающего звена (цифрового фильтра). Переходный процесс при воздействии единичного скачка напряжения определяется полюсами передаточной функции радиодальномера, который рассматривается как замкнутая следящая система, по ошибке Kx (z) z 1 z2 zKM K 21 KM. Исследование переходных процессов в системе с передаточной функцией Kx (z) позволяет сделать вывод о том, что приемлемое на практике значение перерегулирования 30% - 40% достигается в области апериодических режимов, где KM 1, K(1 M )2 4 или K (1 M ) 2, KM 1. При K 0.5 перерегулирование минимально. При K величина выброса ошибки слежения в переходном режиме по отношению к ее установившемуся значению может превосходить 100%, что делает работу в таком режиме нежелательной.
Выполненные расчеты показывают, что при M 1/ K 0.5 достигается минимум эквивалентной полосы пропускания рассматриваемой замкнутой слеK 4 K дящей системы с астатизмом второго порядка: fэ2,min . УменьTr (2 K )шение эквивалентной полосы пропускания fэ приводит к уменьшению шумовой ошибки измерения дальности S (0) fэ, где S (0) - спектральная x плотность входного шума на нулевой частоте.
Также исследовано влияние амплитудного квантования сигналов на дискриминационную характеристику временного дискриминатора, описывающую зависимость выходного напряжения дискриминатора от временного рассогласования между измеренным и фактическим значением дальности до объекта, и на флуктуационную характеристику, определяющую зависимость спектральной плотности напряжения ошибки от рассогласования.
Из приведенных на рис. 4 графиков среднеквадратичного отклонения шумовой ошибки, пересчитанной к входу дискриминатора вх, следует, что при малых значениях ОСШ ( q 1) многоуровневое квантование (обозначено сплошными линиями) не приводит к существенному выигрышу по сравнению с бинарным квантованием (обозначено штриховыми линиями). При q 4 и многоуровневом квантовании дисперсия шумовой ошибки измерения дальности существенно меньше, чем при бинарном квантовании (разница составляет до дБ). С ростом числа выборок на длительности импульса n различие между бинарным и многоуровневым квантованием уменьшается до тех пор, пока шумовые выборки остаются некоррелированными.
Реализация радиодальномеров в ЦСП подразумевает использование в качестве входных данных сигналов, преобразованных с помощью АЦП с конечным числом разрядов, а также округление (квантование) результатов расчетов, обусловленное конечной точностью вычислений, поддерживаемых ЦСП. Для анализа точности радиодальномеров в диссертационной работе была использована статистическая линеаризация, в основе которой находится замена нелинейного звена статистически эквивалентным ему Рис. 4. Зависимость шумовой ошибки от линейным звеном. При этом диспараметров амплитудного квантования криминационная характеристика сигнала ~ цифрового ВД Q(х) рассматривается как результат квантования линейной характеристики Q(х), обусловленный квантованием входного сигнала. Возможны три процедуры вычисления результирующей характеристики: с округлением, с усечением дополнительного кода, с усечением прямого и обратного кодов.
Для проведения предлагаемого анализа схема цифрового следящего ра~ диодальномера приведена к виду (рис. 5), где Q(x) - нелинейный элемент, ' K (z) - передаточная функция каскадно соединенных сглаживающего ЦФНЧ p и ПКВ, G(z) X (z) Eвх (z) - сумма ошибки слежения X (z) и шумовой со~ ставляющей Eвх (z) на входе ВД, G(z) - зашумленное рассогласование на выходе ВД. В соответствии с методом статистической линеаризации выражения для центрированной случайной X (z) и постоянной M (z) составляющих 0 x ' ошибки слежения принимают вид: X (z) K (z)kG (mx,G )X (z) Eвх (z), 0 p ' M (z) M (z) K (z)km (mx, )M (z), где km (mx, ) и kG (mx, ) - коэфx R p G x G G фициенты статистической линеаризации постоянной mx и центрированной случайной G0(z) составляющих входного сигнала ВД, - дисперсия значений G G, M (z) - закон движения отслеживаемого объекта.
R Решение этих уравнений Eвх(z) позволяет определить ошибку определения дальности в циф~ X (z) G(z) R(z) G(z) ~ ' ровом радиодальномере при Q(x) K (z) p разных законах движения от~ слеживаемого объекта. РасY (z) сматриваемая ошибка включает две компоненты, первая из Рис. 5. Упрощенная структурная схема них связана с наличием сигнаследящего радиодальномера ла и шума на входе системы, вторая обусловлена дискретностью измерения дальности (инструментальная погрешность).
Анализ полученных выражений для точности измерения дальности показал, что при малом входном шуме основной вклад в случайную составляющую ошибки измерения дальности вносит инструментальная погрешность, а детерминированная составляющая ошибки слежения может быть отлична от нуля даже при неподвижном объекте. С ростом входного шума происходит линеаризация дискриминационной характеристики, что позволяет не учитывать в этом случае эффекты ее квантования.
Из полученных выражений для точности цифровой следящей системы следует, что предпочтительным является квантование с округлением, так как в этом случае влияние нелинейности приводит к уменьшению точности измерения дальности в меньшей степени, чем при других рассмотренных процедурах квантования. В системе с округлением эффекты, связанные с нелинейностью, можно не учитывать при 0.25t, в случаях других процедур квантования эти эффекты также можно не учитывать при 0.5t, где - среднеквадратичное отклонение величины Eвх (z).
Полученные математические зависимости и представленные выводы подтверждены результатами моделирования следящего радиодальномера. Они позволяют учесть влияние нелинейности дискриминационной характеристики на ошибки слежения, что является важным аспектом при разработке цифровых устройств измерения дальности до объектов.
Рассчитанные с учетом временной дискретизации и амплитудного квантования сигналов характеристики цифрового временного дискриминатора позволяют определить параметры радиодальномера, минимизирующие энергетические потери по сравнению с аналоговым устройством, и обеспечивающие требуемые динамические свойства системы. Методикой расчета точности цифровой следящей системы в установившемся режиме, разработанной на основании использования статистической линеаризации, можно воспользоваться для уменьшения влияния нелинейности дискриминационной характеристики на точность измерения дальности.
Полученные в главе 3 результаты позволяют перейти к анализу параметров и точности следящих радиодальномеров с усреднением рассогласования и стробоскопической дискретизацией сигналов.
В главе 4 (ДАЛЬНОМЕР С УСРЕДНЕНИЕМ РАССОГЛАСОВАНИЯ) рассмотрено применение усреднения рассогласования при построении цифровых следящих радиодальномеров, позволяющее повысить точность измерения дальности при ограниченной разрядности представления данных в следящем дальномере.
В диссертации показано, что условие обеспечения требуемого значения эквивалентной шумовой полосы пропускания замкнутой системы автосопровождения объекта с целью минимизации шумовой ошибки измерения дальности может привести к росту числа разрядов измерителя дальности по сравнению с числом разрядов, необходимым для представления дальности с Рис. 6. Структурная схема измерителя дальности требуемой точностью, и, с усреднением рассогласования как следствие, к росту аппаратных затрат. Для уменьшения аппаратных затрат можно воспользоваться усреднением значений выходного напряжения ВД радиодальномера за несколько ( N ) периодов следования зондирующих импульсов. Так как значения шума, разделенные интервалом следования зондирующих импульсов РЛС Tr, являются некоррелированными, то усреднение за время Tу NTr приводит к уменьшению шумовой ошибки слежения. Структурная схема измерителя дальности с усреднением рассогласования приведена на рис. 6, где НС - накопитель сигналов.
Из приведенных в диссертации расчетов следует, что усреднение рассогласования приводит к возрастанию детерминированной и к уменьшению случайной составляющих ошибки измерения дальности.
В случае равномерного движения объекта динамическая ошибка в радиодальномере с астатизмом первого порядка возрастает в среднем в N раз по сравнению со случаем без усреднения: A vNTr / K, где v - скорость объекта.
При этом эквивалентная шумовая полоса пропускания уменьшается в N раз:
1 K fэ1 .
NTr 2 K В случае равноускоренного движения объекта динамическая ошибка измерителя дальности с астатизмом второго порядка равна A aNTr K, где a - ускорение объекта, т.е. усреднение приводит к увеличению динамической ошибки в N раз.
В то же время эквивалентная шумовая полоса пропускания системы с астатизмом второго порядка уменьшается в N раз по сравнению со случаем без 1 2 M K(1 2M ) усреднения: fэ2 . Поэтому критерием выбора N может NTr 4 K(1 2M ) быть заданное соотношение случайной и детерминированной составляющих ошибки слежения, например, A .
x На рис. 7 представлены полученные графики динамической A (штриховая линия) и случайной (сплошная лиx ния) составляющих ошибки измерения дальности в зависимости от N при слежении за равноускоренным объектом с a =500 м/с. В рассматриваемой системе i =1 мкс, Tr =1 мс, ОСШ равно 4, 0 1 2 K 0.5, M 1. Значение 10 10 N, при котором динамиN ческая и случайная ошибРис. 7. Динамическая A (штриховая линия) и ки одинаковы, в рассматслучайная (сплошная линия) составляющие x риваемом случае ошибки измерения дальности приблизительно равно 54.
Полоса пропускания при этом составляет около 26 Гц.
В рассматриваемом радиодальномере текущая ошибка на границе интервала усреднения может существенно превышать величину A. Она достигает минимума в середине интервала Tу. Исходя из этого, в диссертации были разработаны три способа уменьшения текущей динамической ошибки измерения дальности. Первый способ заключается в привязке момента выдачи значения о дальности к середине интервала. Второй способ состоит в вычислении среднего между предыдущим и текущим значением дальности на краях интервала. Третий способ, который можно использовать при высоком ОСШ, заключается в определении момента, когда значение текущей динамической ошибки становится меньше некоторого предварительно установленного порога. В диссертации рассчитаны дополнительные погрешности, вносимые каждым из этих способов, и показано, что они существенно меньше динамической составляющей ошибки слежения. Показано, что применение рассмотренных способов позволяет повысить точность измерения дальности в радиодальномере с усреднением.
С целью выбора предпочтительной структуры радиодальномера с усреднением параметров было произведено сравнение двух вариантов его построеx , A, м ния. Показано, что схема с усреднением рассогласования характеризуется меньшими динамическими ошибками и меньшими аппаратными затратами по сравнению с радиодальномером, в котором производится усреднение значений измеренной дальности.
Таким образом, усреднение рассогласования может применяться для уменьшения случайной составляющей ошибки слежения в цифровых радиодальномерах, при этом для его реализации потребуется лишь дополнительный накопитель сигналов, что не приведет к существенному возрастанию аппаратных затрат. Оптимальное значение времени усреднения может определяться исходя из заданного соотношения между случайной и детерминированной составляющими ошибки слежения.
Другим способом повышения точности измерения дальности может быть стробоскопическая дискретизация сигналов.
В главе 5 (ДАЛЬНОМЕР СО СТРОБОСКОПИЧЕСКОЙ ДИСКРЕТИЗАЦИЕЙ) рассмотрено применение стробоскопической дискретизации для повышения точности измерения дальности в цифровых следящих радиодальномерах, проанализирована ошибка измерения дальности и для ее составляющих получены математические выражения, учитывающие влияние временного квантования сигналов. Исследовано два способа стробоскопической дискретизации. В первом из них расстояние между N выборками равно TД, а их сдвиг в смежных периодах равен t (рис. 1). Во втором способе выборки берутся группами из N штук с расстоянием между выборками в группе t, и сдвигом групп в смежных периодах зондирования TД. Показано, что равномерное распределение выборок (первый способ) обеспечивает выигрыш в ОСШ примерно на 4-6 дБ по сравнению со вторым способом стробоскопической дискретизации.
Подробно рассмотрено влияние стробоскопической дискретизации на точность измерения дальности. Дисперсия ошибки слежения за дальностью x включает в себя четыре составляющие, обусловленные наличием шума на входе системы, дискретностью измерения дальности, искажением формы сигнала и амплитудными флуктуациями отслеживаемого сигнала.
Из результатов анализа следует, что дисперсия шума на выходе времен2 2 2 ного дискриминатора определяется как kдi2 N, где ш - дисперсия швых ш входного шума дискриминатора, kд nN Ti - коэффициент передачи дискриминатора. Дисперсию ошибки слежения, обусловленной наличием шума на входе системы, в первом приближении можно определить из соотношения 2 2 fэTr Kд, где fэ - эквивалентная полоса пропускания радиодальноx швых мера без стробоскопической дискретизации ( N 1), рассматриваемого как замкнутая следящая система, Kд 2U kд - крутизна дискриминационной характеристики, U - амплитуда сигнала на входе дискриминатора. Подставляя значение в это выражение, получим, что дисперсия ошибки слежения опрешвых 2 деляется как fэTr 4Nq2, где q U - входное ОСШ.
x i ш Положительным моментом стробоскопической дискретизации является то, что ее использование приводит к уменьшению дисперсии инструментальной ошибки, связанной с дискретностью измерения дальности, которая определяет2 ся как и i2 (3N n2).
Дисперсия ошибки, связанной с искажением формы сигнала при стробоскопической дискретизации, в наиболее неблагоприятном случае, при котором слежение еще возможно, то есть когда при одной выборке на сигнал ( n 1) объект смещается за время измерения на расстояние i, равна i2 48N.
хg В диссертации подробно рассмотрено влияние флуктуации амплитуды сигналов на точность измерения дальности. В случае, когда интервал корреляции амплитудных флуктуаций существенно меньше величины Tr, дисперсия входного шума дискриминатора достигает максимума, ее приблизительно можно выразить как i2 4n2N. Случайную составляющую ошибки измереавх ния дальности, вызванной амплитудными флуктуациями, можно рассчитать по полученной формуле:
2 fэ Tr. Задачу xa авх уменьшения данной ошибки решает предm x x ложенный в диссертации способ стробоскопической дискретизации, в котором используются две u последовательности импульсов дискретизации, смещающиеся в соседних периодах в x противоположных на xg правлениях. Примене1 ние этого способа по10 зволило достичь N Рис. 8. Составляющие ошибки измерения дальности энергетического выигв радиодальномере со стробоскопической рыша до 4 дБ при оддискретизацией ной выборке на сигнал.
На рис. 8 приведен пример зависимостей, характеризующих ошибки, полученные в результате моделирования дальномера, отслеживающего на небольшом удалении (сотни метров) высокоскоростные ( v 3.5 км/с) неманеврирующие объекты, отраженные сигналы которых можно рассматривать как нефлуктуирующие. В связи с этим ошибка при моделировании не учитывалась. Требуемая линейная xa точность измерения дальности, определяемая суммой динамической ошибки mx и среднеквадратичного значения случайной составляющей ошибки x u x xg x , , , , m, см 2 2 , составляет 30 см. Составляющие ошибки слежения предx и xg x ставлены на рисунке для случая одной выборки на сигнал (n 1) в сантиметрах в зависимости от N.
Из рис. 8 следует, что с ростом числа периодов стробоскопической дискретизации инструментальная ошибка быстро убывает, а ошибка, возникающая вследствие искажения формы сигнала, растет медленно. Поэтому при больших N основной вклад в вносит шумовая составляющая. При применении строx боскопической дискретизации динамическая ошибка системы возрастает пропорционально N. Вследствие этого при увеличении N выше некоторого значения погрешность измерения дальности определяется не шумовыми ошибками, а динамической ошибкой системы. В рассматриваемом случае требуемая точность слежения обеспечивается при N 64.
При практической реализации рассматриваемых радиодальномеров необходимо принимать во внимание влияние стробоскопической дискретизации на эффективность СДЦ. Действительно, при стробоскопической дискретизации отсчеты сигнала смещаются на t (рис. 1), поэтому выборки напряжения в смежных периодах следования зондирующих импульсов РЛС относятся к различным участкам пространства. Вследствие этого происходит декорреляция пассивной помехи, которая приводит к уменьшению коэффициента ее подавления.
Эффективность СД - с череспериодной компенсацией (ЧПК) характеризуется соотношением Po / P, где Po - некомпенсированный остаток помехи, а P - средняя мощность помехи. Проведенный анализ показал, что это соотно2 шение при однократной ЧПК составляет 1 121 n2N 1 n3N , при двукратной ЧПК 2 48 n3N . Как показано в диссертации, для того чтобы стробоскопическая дискретизация не приводила к ухудшению качества СД - по сравнению с обычным способом дискретизации, необходимо выполнить условие nN 26. Так как с ростом числа выборок 1 и 2 довольно быстро убывают, это позволяет реализовывать заданные значения коэффициента подавления пассивной помехи.
Предложенная в диссертации стробоскопическая дискретизация сигналов была использована при построении дальномера, входящего в состав разрабатываемого в ЗАО Геозондас сверхширокополосного импульсного радиолокатора, предназначенного для обнаружения пострадавших в результате катастроф. При слежении за короткими радиолокационными импульсами длительностью пикосекунд стробоскопическая дискретизация позволила в четыре раза повысить точность измерения дальности (до нескольких миллиметров) на расстояниях до 5 м.
Другим примером практической реализации радиодальномеров со стробоскопической дискретизацией сигналов является микропроцессорное устройство сопровождения объектов по дальности, разработанное для использования в лабораторном практикуме МИЭТ по курсу радиотехнических систем. Помимо сопровождения объектов по дальности, оно способно решать и другие задачи обработки сигналов, например, осуществлять обнаружение сигналов.
Применение стробоскопической дискретизации сигналов для повышения точности измерения дальности было исследовано также при построении следящих радиодальномеров на базе современных ЦСП серии Мультикор. Показано, что при построении радиодальномеров на базе контроллера 1892ВМ3Т этой серии, минимально достижимый период дискретизации сигнала составляет TД 2 FDSP, где FDSP - тактовая частота DSP-ядра. На практике это означает, что минимально достижимый период дискретизации сигнала TД составит около 20 нс, что соответствует инструментальной погрешности измерения дальности 6 м. Такая точность во многих случаях является достаточной. Однако при необходимости обеспечения более высокой точности измерения дальности применение стробоскопической дискретизации может оказаться целесообразным.
Из полученных результатов следует, что применение стробоскопической дискретизации позволяет существенно уменьшить инструментальную ошибку измерения дальности без повышения требований к быстродействию элементной базы цифровых радиодальномеров. Представленные в диссертации результаты позволяют выбрать оптимальные с точки зрения обеспечения максимальной точности слежения параметры дальномера со стробоскопической дискретизацией сигналов. Выработанные рекомендации обеспечивают улучшение качества СД - в случае применения стробоскопической дискретизации.
Разработанные структуры, алгоритмы и программы позволяют осуществлять эффективную реализацию радиодальномеров со стробоскопической дискретизацией сигналов на современной элементной базе.
В заключении подведены итоги работы и сформулированы основные выводы.
В приложениях приведены основные сокращения, используемые в работе, примеры моделирующих программ на языке Fortran и MATLAB, акты внедрения результатов диссертационной работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В работе приведено решение научной задачи, заключающейся в улучшении характеристик обнаружения сигналов, а также повышении точности измерения дальности до объектов в радиолокации без увеличения требований к быстродействию используемых устройств обработки сигналов и аппаратным затратам. Указанная задача решается за счет применения квазиоптимальных алгоритмов цифровой обработки сигналов при построении радиолокационных обнаружителей и радиодальномеров. В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты:
1. Результаты анализа алгоритмов работы цифровых устройств обнаружения сигналов, позволяющие снизить требования к быстродействию их элементной базы. Рассчитаны энергетические потери вследствие временной дискретизации сигналов, которые увеличиваются с ростом шага дискретизации и вероятности правильного обнаружения. Если вероятность правильного обнаружения лежит в диапазоне от 0.5 до 0.8, то при двух выборках на сигнал эти потери составляют в среднем 3.5 дБ, а при одной выборке возрастают до 11 дБ.
С целью обеспечения энергетического выигрыша по сравнению с традиционной дискретизацией в случае малого числа выборок на длительности импульса (две и менее) предложено использовать стробоскопическую дискретизацию сигналов. При одной выборке на сигнал применение стробоскопической дискретизации дает выигрыш примерно 3.5 дБ в требуемом ОСШ. Показано, что преимущество использования стробоскопической дискретизации возрастает с ростом ОСШ.
2. Получена оценка влияния параметров дискретизации сигналов на характеристики временного дискриминатора, входящего в состав цифровых следящих измерителей дальности. Показано, что временная дискретизация приводит к увеличению шума на выходе дискриминатора, однако при числе выборок на длительности импульса свыше 8, потери по сравнению с аналоговым устройством не превышают 0.5 дБ.
Из проведенного сравнения бинарного и многоуровневого квантования сигналов следует, что при малых значениях ОСШ многоуровневое квантование не приводит к существенному выигрышу по сравнению с бинарным квантованием. С ростом ОСШ энергетический выигрыш от применения многоуровневого квантования возрастает от 1.5 - 2 дБ (при ОСШ, равном единице) до 10 дБ (при ОСШ, равном четырем).
Исследована область устойчивости и характер переходных процессов в цифровых следящих радиодальномерах с учетом временной дискретизации обрабатываемых сигналов, рассчитаны коэффициенты передачи ЦФНЧ следящей системы, минимизирующие суммарную ошибку измерения дальности в установившемся режиме.
3. С помощью статистической линеаризации были получены математические зависимости, на основании которых можно рассчитать точность цифровой следящей системы в установившемся режиме при различных видах дискриминационной характеристики. Проведенный расчет показывает, что при построении радиодальномеров предпочтительной является процедура вычисления результирующей дискриминационной характеристики с округлением, так как при ней влияние нелинейности сказывается в меньшей степени, чем при процедурах вычисления дискриминационной характеристики с усечением дополнительного кода или с усечением прямого и обратного кодов.
4. Исследована эффективность применения усреднения рассогласования при построении цифровых следящих радиодальномеров, что позволяет обеспечить заданную точность измерения дальности при ограниченной разрядности представления данных в следящем дальномере. Показано, что усреднение рассогласования приводит к сужению эквивалентной полосы пропускания замкнутой следящей системы, в результате чего уменьшается случайная составляющая ошибки измерения дальности и возрастает средняя динамическая ошибка. Поэтому оптимальную длительность усреднения предложено определять исходя из компромисса между заданным соотношением между динамической и случайной составляющими ошибки слежения. В рассмотренных примерах усреднение рассогласования позволило снизить суммарную ошибку измерения дальности от 2.5 раз (радиодальномер с астатизмом первого порядка) до 8 раз (астатизм второго порядка).
Предложены способы уменьшения динамической ошибки, позволяющие уменьшить влияние смещения объекта за время усреднения рассогласования на точность определения дальности.
5. В случае, когда основной вклад в ошибку измерения дальности вносит инструментальная погрешность, предложено применять стробоскопическую дискретизацию сигналов. Показано, что при малом числе отсчетов сигнала в одном периоде следования зондирующих импульсов стробоскопическая дискретизация обеспечивает меньшую случайную составляющую ошибки слежения, чем традиционные способы дискретизации, без увеличения требований к быстродействию элементной базы радиодальномеров. Применение стробоскопической дискретизации позволило уменьшить случайную составляющую ошибки слежения в 1.4 раза в системе с астатизмом первого порядка и более чем в 2 раза в системе с астатизмом второго порядка.
Разработана методика расчета детерминированной и случайной составляющих ошибок измерения дальности при стробоскопической дискретизации сигналов с учетом их временной дискретизации и квантования весовых коэффициентов, приведены рекомендации по рациональному выбору схем и параметров стробоскопической дискретизации. Разработаны структуры и схемы радиодальномеров и описана их программная реализация.
Исследован способ стробоскопической дискретизации, уменьшающий влияние амплитудных флуктуаций сигнала на ошибку слежения. Предложены рекомендации по построению радиодальномеров, которые позволяют минимизировать эффект ухудшения качества СД - вследствие декорреляции пассивной помехи при стробоскопической дискретизации.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Быстров А.Н., Тишин Г.В. Микропроцессорный импульсный радиодальномер // Тезисы докладов Всесоюзной конференции Методы и микроэлектронные устройства цифрового преобразования и обработки информации (Московский институт электронной техники, 19Ц21 ноября 1985 г.). - Москва, 1985. - Т. 2. - С. 131.
2. Быстров А.Н., Гудзинский П.А. Микропроцессорное устройство обнаружения пачек импульсных сигналов // Тезисы докладов Всесоюзной конференции Методы и микроэлектронные устройства цифрового преобразования и обработки информации (Московский институт электронной техники, 19 Ц21 ноября 1985 г.). - Москва, 1985. - Т. 2. - С. 132.
3. Быстров А.Н., Гудзинский П.А., Тишин Г.В. Микропроцессорное устройство обработки радиосигналов // Архитектура, схемотехника и математическое обеспечение микропроцессорных систем управления (Межвузовский сборник). - М: Изд. МИЭТ, 1986. - С. 137Ц141.
4. Быстров А.Н., Незлин Д.В. Воздействие амплитудных флуктуаций на цифровой дальномер со стробоскопической дискретизацией сигнала // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов (ИЭ и ВТ АН Латв. ССР). - Рига, Латвия, 1986. - Т. З. - С. 710Ц712.
5. Быстров А.Н., Незлин Д.В. Обнаружитель пачек импульсных сигналов на базе МПК К589 // Радиотехника. - 1987. - №4. - С. 16Ц18.
6. Незлин Д.В., Быстров А.Н. Характеристики временного дискриминатора при стробоскопической дискретизации радиосигнала // Радиотехника. - 1987. - №7. - С. 16Ц18.
7. Быстров А.Н., Незлин Д.В. Цифровой радиодальномер с усреднением ошибки слежения // Электронная техника. Серия 10: Микроэлектронные устройства. - 1987. - №4. - С. 23Ц26.
8. Быстров А.Н. Уменьшение влияния амплитудных флуктуаций на точность дальномеров со стробоскопической дискретизацией сигналов // Доклады 12-й Международной конференции Цифровая обработка сигналов и ее применения (DSPA-2010) (Российская академия наук: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова, 31 марта - 2 апреля 2010 г.). - Москва, 2010. - Т. 2. - С. 36Ц39.
9. Быстров А.Н. Влияние дискретизации сигналов на характеристики временных дискриминаторов // Материалы Международной научнопрактической конференции Информационные технологии, электронные приборы и системы (ITEDS-2010) (Белорусский государственный университет, 6 - 7 апреля 2010 г.). - Минск, Беларусь, 2010. - Т. 1. - С. 13Ц15.
10. Быстров А.Н. Применение стробоскопической дискретизации для улучшения характеристик обнаружения сигналов // Материалы Всероссийской научно-технической конференции Общество, наука, инновации (Вятский государственный университет, 12 - 23 апреля 2010 г.). - Киров, 2010.
- Т. 2. - С. 165Ц167.
11. Быстров А.Н. Характеристики цифрового радиодальномера с усреднением ошибки слежения // Труды 16-й Международной конференции Радиолокация, навигация, связь (RLNC-2010) (Воронежский государственный университет, 13 - 15 апреля 2010 г.). - Воронеж, 2010. - Т. 1. - С. 2276 - 2282.
12. Быстров А.Н. Расчет точности измерителей дальности со стробоскопической дискретизацией радиосигнала // Труды LXV научной сессии, посвященной Дню Радио (Московский технический университет связи и информатики, 19 - 20 мая 2010 г.). - Москва, 2010. - С. 74Ц77.
13. Быстров А.Н. Качество селекции движущихся целей в радиодальномерах со стробоскопической дискретизацией сигнала // Материалы Второй Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 35-летию отдела новых разработок Муромского завода радиоизмерительных приборов Радиолокационная техника: Устройства, станции, системы (РЛС2010) (Муромский завод радиоизмерительных приборов, 9 - 10 июня 2010 г.). - Муром, 2010. - С. 43Ц44.
14. Быстров А.Н. Влияние амплитудного квантования на характеристики временного дискриминатора // Материалы IX Международной научнотехнической конференции Физика и технические приложения волновых процессов (Челябинский государственный университет, 13 - 17 сентября 2010 г.). - Челябинск, 2010. - С. 36 - 37.
15. Быстров А.Н. Анализ переходных режимов в цифровых радиодальномерах // Материалы 16-й международной научно-технической конференции Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций (Рязанский государственный радиотехнический университет, 4 - 6 октября 2010 г.). - Рязань, 2010. - С. 35Ц37.
16. Быстров А.Н. Оценка влияния параметров дискретизации на характеристики временных дискриминаторов // Труды 18-й Международной научнотехнической конференции Информационные средства и технологии (Московский энергетический институт - технический университет, 19 - октября 2010 г.). - Москва, 2010. - Т. 2. - С. 36Ц41.
17. Быстров А.Н., Джиган В.И. Оценка влияния временной дискретизации и амплитудного квантования сигналов на характеристики радиодальномеров // Нелинейный мир. - 2010. - № 12. - С. 764Ц777.
18. Быстров А.Н. Радиодальномер со стробоскопической дискретизацией сигнала на базе СБИС серии Мультикор // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Общетехническая. - Вып. 1. - 2011. - С. 107Ц114.
19. Джиган В.И., Быстров А.Н. Экономичные алгоритмы радиолокационного обнаружения и измерения дальности // Вопросы радиоэлектроники. Серия:
Общетехническая. - Вып. 1. - 2011. - С. 114Ц124.
20. Быстров А.Н., Джиган В.И. Влияние временной дискретизации радиолокационных сигналов на характеристики обнаружителей // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. - 2011. - № 1. - С. 55Ц58.
21. Быстров А.Н. Повышение точности цифровых радиодальномеров путем усреднения сигнала рассогласования // Доклады 13-й Международной конференции Цифровая обработка сигналов и ее применения (DSPA2011) (Российская академия наук: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова, 30 марта - 1 апреля 2011 г.). - Москва, 2011. - Т. 2.
- С. 7Ц9.
22. Быстров А.Н. Построение устройств обнаружения импульсных сигналов на основе цифровых сигнальных процессоров // Общество, наука, инновации (НТК-2011): ежегодная открытая Всероссийская научно-техническая конференция, 18 - 29 апреля 2011 г. - Киров, 2011. - 3 стр. - Электронный оптический диск (CD-ROM).
Подписано в печать ________________.
Бумага офсетная. Печать офсетная. Формат 60х84 1/16. Объем _________.
Заказ № _________. Тираж 100 экз.
Отпечатано в типографии ООО Ториус 77.
124498, Москва, Зеленоград, корп. 528, офис
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям