авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Синтез, анализ, формирование и обработка дискретно-кодированных по частоте радиолокационных сигналов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 621.396.96

Каменский Илья Владимирович

СИНТЕЗ, АНАЛИЗ, ФОРМИРОВАНИЕ И ОБРАБОТКА

ДИСКРЕТНО-КОДИРОВАННЫХ ПО ЧАСТОТЕ

РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ

Специальность 05.12.14 – Радиолокация и радионавигация

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА – 2008

Работа выполнена на кафедре «Радиолокация и радионавигация»

Московского авиационного института (государственного технического университета).

Научный руководитель доктор технических наук,

Гаврилов К.Ю.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Юдин В.Н.

кандидат технических наук,

с.н.с. Бартенев В.Г.

Ведущая организация – ОАО «Радиотехнический институт имени

академика А.Л. Минца».

Защита состоится «11» _ноября_ 2008 г. на заседании

диссертационного совета Д 212.125.03 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу:

125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4. Ученый Совет МАИ.

Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.125.03.

Автореферат разослан «____» _____________ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.125.03

к.т.н., с.н.с. М.И. Сычёв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

С момента появления первых радиолокационных станций (РЛС) задача выбора зондирующего сигнала стала одной из основных проблем радиолокации. Результатом поиска сигналов, позволяющих добиваться совместной высокой разрешающей способности по дальности и частоте, стало появление сложных сигналов с внутриимпульсной модуляцией. Одним из наиболее известных таких сигналов является сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ сигнал). Тем не менее, функция неопределенности (ФН) ЛЧМ сигнала далека от ФН желаемого "кнопочного" вида.

Поиск сложных сигналов, обеспечивающих заданные свойства ФН, про-должается до сих пор и является актуальной задачей. Развитием теории сигна-лов занимались многие зарубежные и отечественные ученые: Ф. Вудворд, Ч. Кук и М. Бернфельд, Р. Фрэнк, Г. Ван Трис, Л. Френкс, Д. Хаффмен, Д.Е. Вакман, Р.М. Седлецкий, Л.Е. Варакин, М.Б. Свердлик, Г.И. Тузов, Я.Д. Ширман, В.Е. Гантмахер, Н.Е. Быстров, Д.В. Чеботарев, С.В. Голомб и Г. Гонг и другие.

В результате многолетних исследований в области синтеза широкополосных сигналов получены различные классы амплитудно-, фазо- и частотно-модулированных сигналов. Требования к их высокой помехозащищенности и энергетической и структурной скрытностям послужили основанием для более пристальных исследований фазовых и частотных сигналов, а также комбинированных видов модуляции при синтезе сложных сигналов.

Задача детального анализа и синтеза сложных сигналов с требуемыми характеристиками является достаточно сложной и не нашла пока решения в общем виде. Поэтому решение целесообразно проводить для некоторого конкретного класса сигналов, что дает возможность ввода специфических для этих сигналов ограничений и, как следствие, упрощения математического аппарата, используемого при синтезе и анализе рассматриваемых сигналов.





Среди наиболее известных и чаще других используемых на практике сигналов можно отметить: коды Баркера, М – последовательности (коды Хаффмена), многофазные коды Фрэнка, линейно- и V – образно частотно модулированные сигналы.

Появление и развитие дискретной, а в дальнейшем и цифровой техники послужило основанием для изучения класса дискретно-кодированных сигналов (ДКС). К таким сигналам можно отнести:

– амплитудно-кодированные ДКС;

– фазо-кодированные ДКС;

– частотно-кодированные ДКС;

– дискретно-кодированные сигналы с кодированием сразу нескольких параметров элементарных радиоимпульсов, составляющих ДКС.

Наиболее полно исследованы первые три разновидности ДКС. Большой вклад в данные исследования внесли такие ученые, как Ч. Кук и М. Бернфельд, Л.Е. Варакин, С.В. Голомб, А.А. Сикарев, О.Н. Лебедев и А.И. Фалько, В.П. Ипатов и другие.

Следует отметить, что разрешающая способность по задержке для фазо-кодированных ДКС ограничена длительностью элементарного радиоимпульса (одного дискрета), поэтому для достижения более высокой разрешающей способности по задержке целесообразно использование частотно-кодированных ДКС.

Американский ученый Дж. П. Костас предложил вид когерентного дискретно-кодированного по частоте сигнала (ДКЧС) с почти идеальной "кнопочной" функцией неопределенности (ДКЧС Костаса). Перспективность таких сигналов подтвердили в своих работах и развили аналитическую теорию и математический аппарат ряд известных западных ученых, среди которых С.В. Голомб, Х. Тейлор, Л.Р. Уэлч, А. Лемпель, А. Фридман, Н. Леванон, В. Чанг, К. Скарброух. На протяжении длительного времени вопросами анализа ДКЧС Костаса занимался Эдвард Титлебаум, который вместе с группой соавторов написал целый ряд статей по данной тематике, что в свою очередь подчеркивает неослабевающий интерес западных исследователей и актуальность темы данного диссертационного исследования.

В последние годы отечественные исследователи также проявляют интерес к частотно-кодированным сигналам. Однако в отечественной открытой печати вопросы синтеза и анализа ДКЧС и, в частности, ДКЧС Костаса недостаточно полно освещены. Кроме того, практически отсутствуют аналитические обоснования выбора параметров для формирования и обработки ДКЧС, а также сами вопросы формирования и обработки подобного вида зондирующих сигналов.

Таким образом, задача синтеза, анализа, формирования и обработки зондирующих сигналов не потеряла своей актуальности и по сей день. Сложные дискретно-кодированные сигналы и, в частности, дискретно-кодированные по частоте сигналы привлекают к себе пристальное внимание исследователей и разработчиков вследствие ожидаемой возможности получения ФН "кнопочного" вида и обеспечения высокой помехозащищенности и скрытности работы РЛС с их использованием. Рассмотрению этих вопросов посвящена данная диссертационная работа.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является синтез дискретно-кодированных сигналов, применение которых позволит повысить тактические характеристики РЛС, анализ эффективности использования ДКЧС, рассмотрение вопросов технической реализации устройств их формирования и обработки, а также разработка программного обеспечения для реализации предлагаемых в работе методов синтеза и анализа дискретно-кодированных сигналов. Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:

  1. Получение аналитического выражения, описывающего функцию неопределенности дискретно-кодированных сигналов и анализ свойств ФН ДКЧС с помощью полученного выражения.
  2. Синтез дискретно-кодированных по частоте сигналов Костаса, разработка алгоритмов синтеза системы ДКЧС Костаса требуемой размерности, разработка алгоритма синтеза псевдослучайного ДКЧС Костаса.
  3. Получение аналитического выражения, описывающего функцию неопределенности составных дискретно-кодированных сигналов (СДКС) и анализ свойств ФН составных ДКЧС с помощью полученного выражения.
  4. Разработка методов формирования и обработки дискретно-кодированных по частоте сигналов.
  5. Оценка эффективности РЛС с применением дискретно-кодированных по частоте сигналов, включая анализ помехозащищенности и скрытности работы РЛС с их использованием.
  6. Разработка программного обеспечения, предназначенного для синтеза и анализа дискретно-кодированных сигналов.

Методы исследования



При решении поставленных задач использовались методы математического анализа, теории конечных числовых полей (полей Галуа), методы математической статистики, анализа алгоритмов, методы формирования и обработки сигналов, цифровой обработки сигналов, объектно-ориентированного подхода для создания программного обеспечения, программирования трехмерной графики, математического моделирования на ЭВМ.

Научная новизна работы

  1. Получено аналитическое выражение, описывающее функцию неопределенности дискретно-кодированных сигналов, с помощью которого проведен анализ ФН ДКЧС и даны рекомендации по выбору параметров ДКЧС.
  2. Разработаны и проанализированы алгоритмы синтеза систем ДКЧС Костаса требуемой размерности и алгоритм синтеза псевдослучайного ДКЧС Костаса.
  3. Получено аналитическое выражение, описывающее функцию неопределенности составных дискретно-кодированных сигналов, с помощью которого проведен анализ ФН составных ДКЧС и даны рекомендации по выбору параметров составных ДКЧС.
  4. Предложены варианты построения устройств формирования и обработки ДКЧС и составных ДКЧС, позволяющих добиться высокой помехозащищенности и скрытности работы РЛС.
  5. Произведена оценка помехозащищенности и скрытности работы РЛС с применением ДКЧС Костаса и составных ДКЧС Костаса.

Практическая ценность результатов работы

Разработано программное обеспечение, предназначенное для синтеза и анализа дискретно-кодированных сигналов. С его помощью проведены исследования различных дискретно-кодированных сигналов, трехмерное математическое моделирование ФН дискретно-кодированных сигналов, в том числе ДКЧС Костаса и составных ДКЧС Костаса. По результатам этих исследований даны рекомендации по выбору параметров зондирующих сигналов РЛС.

Даны рекомендации по выбору параметров устройств формирования и обработки ДКЧС и составных ДКЧС.

Проведен синтез ДКЧС Костаса и систем ДКЧС Костаса различных размерностей на ЭВМ.

Техническая реализация и внедрение

Результаты диссертационных исследований внедрены в разработки предприятия ОАО "Корпорация "Фазотрон-НИИР", что подтверждается актом внедрения, а также в учебный процесс МАИ в виде лабораторной работы "Исследование функций неопределенности дискретно-кодированных сигналов".

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Полученное аналитическое выражение для функции неопределенности дискретно-кодированных сигналов позволяет осуществлять исследование и расчет ФН ДКС с кодированием как одного, так и нескольких параметров сигнала. На основании анализа полученного выражения даны рекомендации по выбору параметров ДКЧС для достижения "кнопочной" ФН зондирующего сигнала.
  2. Предложенный в работе итерационный алгоритм синтеза системы ДКЧС Костаса обеспечивает существенную экономию затрачиваемого машинного времени на выполнение поставленной задачи по сравнению с перестановочным алгоритмом, достигнутая экономия с увеличением размерности системы ДКЧС Костаса возрастает.
  3. При формировании одного или нескольких ДКЧС Костаса, когда синтез системы ДКЧС Костаса необходимой размерности требует недопустимо больших вычислительных затрат, целесообразно использовать предложенный в работе псевдослучайный алгоритм синтеза ДКЧС Костаса.
  4. Полученное аналитическое выражение для ФН составных дискретно-кодированных сигналов позволяет осуществлять исследование и расчет ФН составных ДКС с кодированием как одного, так и нескольких параметров сигнала. На основании анализа полученного выражения даны рекомендации по выбору параметров составных ДКЧС для достижения "кнопочной" ФН зондирующего сигнала.
  5. Предложены устройства формирования и обработки дискретно-кодированных по частоте сигналов и структурная схема импульсной обзорной РЛС с возможностью оперативной смены зондирующего сигнала, что обеспечивает повышение помехозащищенности и скрытности работы РЛС.
  6. Использование ДКЧС Костаса и составных ДКЧС Костаса позволяет добиться повышения использования энергетических возможностей РЛС, высокой совместной разрешающей способности РЛС по задержке и частоте при низком уровне боковых лепестков ФН, а также высокой помехозащищенности и скрытности работы РЛС.

Апробация результатов работы

Результаты диссертационной работы доложены на VIII Международном научно-техническом семинаре "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации" (Алушта, 1999), 2-й Международной конференции "Цифровая обработка сигналов и ее применения" (Москва, 1999), IX Международном научно-техническом семинаре "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации" (Алушта, 2000), 3-й Международной конференции "Цифровая обработка сигналов и ее применение" (Москва, 2000), 5-й Международной конференции "Цифровая обработка сигналов и ее применение" (Москва, 2003), Всероссийской научной конференции "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике" (Муром, 2003), Всероссийской конференции молодых ученых и студентов "Информационные технологии в авиационной и космической технике – 2008" (Москва, 2008).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 13 работах: 3 статьи в журнале "Известия вузов. Радиоэлектроника", 1 работа в Межвузовском сборнике научных трудов, 1 работа в трудах МАИ и 8 работ в трудах всероссийских и международных научно-технических конференций.

Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 149 листах машинописного текста и состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 82 наименования. Иллюстративный материал представлен на 58 рисунках. Приложения к диссертации составляют 16 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, проанализировано состояние проблемы, сформулирована цель работы, даны сведения о методах исследования, используемых в процессе работы над диссертацией. Представлены новые научные результаты, описана практическая ценность результатов работы, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе получено аналитическое выражение для функции неопределенности дискретно-кодированного сигнала.

В общем виде ДКС можно представить выражением:

(1)

где N – размерность ДКС; n=0,1,…,N-1; an, fn и n – код амплитуды частоты и фазы соответственно; f0 – несущая частота и Pn(t) – импульс единичной амплитуды длительности Т:

– нормализующий коэффициент такой, что .

Согласно формуле (1) ДКС могут быть кодированы по амплитуде, фазе, частоте или одновременно по нескольким параметрам. Дискретно-кодированным по частоте сигналом (ДКЧС) будем называть дискретный частотный сигнал со следующими ограничениями:

  • амплитуду an элементарных импульсов в формуле (1) можно считать постоянной и равной единице, а фазы n – постоянными или равными нулю;
  • дискрет частоты fn в каждом элементарном импульсе длительностью T равен:

,

где f – шаг сетки частот, который можно рассматривать как масштабный коэффициент полосы частот сигнала, а n – элемент частотно-временной матрицы сигнала, определяющей правило кодирования частоты;

  • код частоты {n} для ДКЧС размерности N должен содержать все значения от 1 до N.

В полученном выражении для ФН ДКС для удобства анализа и вычислений время запаздывания (задержка) и доплеровская частота заменены на нормированные величины и :

,

где , k=0,1,…,N-1 и ;

;

;

; ; ;

где – масштабный коэффициент полосы сигнала относительно длительности элементарного импульса T.

Полученное выражение является достаточно общим и позволяет осуществлять расчет и моделирование ФН ДКС с кодированием как одного, так и нескольких параметров сигнала.

В этой же главе проведено аналитическое исследование ДКЧС и даны рекомендации по выбору их параметров для достижения желаемой формы функции неопределенности. Показано, что для достижения высокой совместной разрешающей способности по задержке и частоте и низкого уровня боковых лепестков (УБЛ) в окрестности центрального максимума ФН параметр M, который определяется шагом сетки частот f и длительностью элементарного импульса T, целесообразно выбирать равным единице. При этом для достижения УБЛ в области пьедестала ФН на уровне 1/N предлагается использовать ДКЧС с кодами частоты, полученными на основе матриц Костаса. Применение ДКЧС Костаса позволит получить ФН "кнопочного" вида, характеристики которой будут улучшаться с ростом размерности N зондирующего сигнала.

Вторая глава посвящена рассмотрению вопросов синтеза дискретно кодированных по частоте сигналов Костаса. Рассмотрены основные известные аналитические конструкции сигналов Костаса: Уэлча, Лемпеля и Голомба. Показано, что использование известных аналитических конструкций матриц Костаса не позволяет сформировать полное множество возможных ДКЧС Костаса заданной размерности N. В связи с этим представляет интерес рассмотрение возможности формирования полного множества ДКЧС Костаса требуемой размерности с использованием ЭВМ. Для решения данной задачи рассматриваются два алгоритма – перестановочный и итерационный. Предложенный в работе новый итерационный метод формирования системы ДКЧС Костаса сравнивается с усовершенствованным в работе, известным перестановочным методом. Разработанные с использованием предложенных методов алгоритмы и программы для ЭВМ показали существенное преимущество нового итерационного алгоритма. Проведенный асимптотический анализ вычислительных затрат, необходимых для синтеза системы ДКЧС Костаса размерности N при помощи перестановочного и итерационного алгоритмов, показал, что с ростом размерности N преимущество в экономии машинного времени T от использования итерационного алгоритма по сравнению с перестановочным будет расти как , где N – натуральное, a – действительное положительное числа. На рис. 1 показана зависимость затраченного машинного времени на формирование системы ДКЧС Костаса при использовании перестановочного (Tпер) и итерационного (Tит) алгоритмов.

Далее в главе 2 обоснована целесообразность получения алгоритма для формирования отдельного псевдослучайного ДКЧС Костаса заданной размерности и предложен вариант построения псевдослучайного алгоритма синтеза ДКЧС Костаса. Проведенное компьютерное исследование предложенного псевдослучайного алгоритма показало его высокую эффективность при формировании ДКЧС Костаса достаточно высоких размерностей, когда применение итерационного алгоритма



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.